- 1 -

차 년 도1

중간보고서

한국형 트랙터 설계 및 시험기준 개발

1996 10 30

주관기관 전선 주 기계LG ( ) CU

위탁기관 성균관대학교 생물기전공학과

통 상 산 업 부

- 2 -

중 간 보 고 서 제 출 서

년도 공업기반기술개발사업에 의하여 개발중인 한국형 트랙터 설계및 시험1996

기준개발에 관한 기술개발사업의 차년도 중간보고서를 별첨과 같이 제출합니1

다

첨 부 중간보고서 부 1 15

년 월 일1996 10 30

총괄 책임자 박 정 수 983193주 관 기 관 전선 주 기계LG ( ) CU

대 표 자 유 환 덕 직인

통 상 산 업 부 장 관 귀 하

- 3 -

한국형 트랙터 설계 및

시험기준개발에 관한 연구

차년도 중간보고서(1 )

1996 10 30

주관기관 전선 주 기계LG ( ) CU

위탁기관 성균관대학교 생물기전공학과

통 상 산 업 부

- 4 -

제 출 문

통 상 산 업 부 장 관 귀 하

본 보고서를 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준개발 과제의 중간보고서로 제출합ldquo rdquo

니다 개발기간 ( 1995121 ~ 19961130)

1996 10 30

개발사업주관기관명 전선 주 기계LG ( ) CU

개발사업총괄책임자 박 정 수

연 구 원 신 현 철

이 영 준

김 재 열

김 장 현

조 훈 환

위 탁 연 구 기 관 성 균 관 대 학 교

생물기전공학과

연 구 책 임 자 이 규 승

연 구 원 박 원 엽

연 구 책 임 자 최 창 현

연 구 원 김 재 민

- 5 -

목 차

제 장 서 론1

제 절 연구개요1

제 절 연구 필요성2

제 절 연구 목표3

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

제 절 연구목표2

제 절 연구사3

제 절 이론적 배경4

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

실험방법2

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

제 절 연구목표2

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양의 분류2

토양의 역학적 성질3

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

제 절 토양변수의 선정5

- 6 -

플라우의 견인저항 예측모델1

차량의 견인성능2

토양변수선정3

제 절 토양물리성 측정 장치의 개발6

설계배경1

장치의 구성2

제 절 결 론7

제 장 결 론4

참고문헌

- 7 -

제 장 서 론1

제 절 연구배경1

의 동력전달 장치는 자동차 및 타 산업기계와 마찬가지로 기계의 내구 수TRACTOR

명기간을 견딜수 있어야 하고 동시에 최적화 되어야 한다 이를 검증하기 위해서는

내구성능 및 성능시험을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 또한 시험기준은

곧 설계기준으로 국가별 또는 기업별로 기밀로 취급되어 이에 대한 구체적이고 종

합적인 자료를 구하는 것이 매우 어렵다

현재 국내 트랙터용 동력전달 장치의 시험기준은 외국으로 부터 비공식적으로 입수

한 부분적인 자료과 기업내에서 임의로 가정한 기준이나 기술제휴사에 전적으로 의

존하고 있는 상태이나 외국으로 부터 도입된 시험기준은 국내 농업 환경에는 적합

하지 않다

따라서 국내 농업기계 산업은 설계에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인

평가 구조를 이루지 못한 상태여서 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계기술

및 해외시장 확보를 위해서는 자체적으로 작성한 시험기준의 확립이 매우 시급한

상태이다

시험기준의 확립을 위해서는 실제의 다양한 포장에서 트랙터에 작용하는 기계적 특

성 토오크 응력 등과 이때의 토양물성을 계측하고 화 한다 또한 계측( ) DATA BASE

한 를 통계적으로 분석하여 기계재료에 대한 피로파괴이론을 적용하고 최종적DATA

으로 시험기준 및 설계기준을 작성하게 된다

이러한 시험기준을 확립함으로써 일차적으로 외국에 지급하는 기술료의 절감은 물

론 근본적인 독자 설계기술을 확립함으로써 외국의 기술종속을 탈피하는 중요한 전

환점이 될 수 있으며 중장기적으로는 제품의 질을 높이고 다양화하여 수입대체 및

수출증대효과에 크게 일조 할 것으로 기대된다

- 8 -

본 연구보고는 한국형 의 설계및 시험기준개발에 관한 차년도 연구보고TRACTOR 1

내용으로 부하계측 전용 개발 및 계측 개발 토양물성TRACTOR SYSTEM DATA

를 위한 토양변수 선정 및 토양물성 측정장치 개발에 대한 내용이다BASE

- 9 -

제 절 연구 필요성2

한국 농업기계의 수준이 선진국에 비해 가장 뒤떨어진 부분은 시험 및 설계 기준이

다 유럽 및 미국의 경우 대형 의 자체 설계 능력을 오래 전에 확보 TRACTOR TM

했고 일본의 경우 소형 위주의 자체 기술력 확보로 미국 시장 수출에 주력하고 있

다 외국의 경우 설계단계부터 를 이용하여 상에서 품질확인 3D-CAD COMPUTER

및 오류방지 개념이 년전 부터 도입되고 있다 기술축적 측면에서 단기적(CE) 3 ~ 4

이론 적용이 불가능한 기계공업은 특히 많은 경험과 시간이 필요하고 그것이 바로

후발업체 한국 의 기술 수준을 묶고 있는 큰 원인이기도 하다 농업기계의 역사가( )

짧은 우리 기술수준에서 의 시장 개방이 이루어질 경우 기술수준 확보여부에WTO

농업기계의 사활이 걸려 있다고 하겠다 특히 는 의 험로에서 TRACTOR OFF-LOAD

작동함으로써 부하의 변화가 심하고 작업시 고 토크가 수반된다는 관점에서 동력

전달 계통상의 설계능력 및 실작업 중심의 시험기준이 특히 요구된다 설계시 필수

적인 를 검증하기 위해서는 성능시험 내구시험 및 구조시험 진동 응REAL DATA (

력 등을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 이 같이 기계 공업 기술은 시험을)

통해 집성화 될 수 있을 만큼 개발단계에서 시험의 비중이 크기 때문에 국가별 또

는 기업별 기밀로 취급되고 있는 것이 당연하다 현재 국내 농업기계 산업은 설계

에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인 평가 구조를 이루지 못한 상태이므

로 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계 기술 및 시장개방 이후 경쟁력 우위

를 확보하기 위해서는 자체적인 시험 기준 확립이 매우 시급한 상태이다

- 10 -

제 절 연구목표3

한국의 토양및 작업조건에 적합한 의 개발을 위한 설계 및 시험 기준 확TRACTOR

립을 최종목표로 부하 계측 전용 를 제작하고 각부위의 토오크를 계측한TRACTOR

다 계측된 의 엄격한 통계분석을 통해 의 기구학적 역학적 특성을 DATA TRACTOR ㆍ

분석하고 우리나라의 대표적인 토양타입 분류와 부하로서 작동하는 토양 FACTOR

를 기준으로 토양물성 측정장치의 수 많은 실험을 통해 수집된 토양 물리성을

화 하여 상호 연관성을 분석한다 이상의 부하계측 토양물성DATA BASE DATA

를 통해 피로 이론을 적용하여 파괴수명을 예측할 수 있는 여러 가지 인자에DATA

대한 정보를 확보한다 기법으로 손상 누적에 의한 피로 수명 예측 S-N

을 완성하여 한국형 의 시험 기준을 확립한다 이상의 목표 과PROGRAM TRACTOR

제를 해결하기 위해 다음과 같은 항목으로 구분 연구한다

부하계측장치 개발- TRACTOR

계측기술 개발 및 계측 의 통계적 분석- DATA

토양 물성 개발- DATA BASE

피로이론을 적용한 수명예측 개발- PROGRAM

마력급별 시험기준 완성-

- 11 -

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개발 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발등이 그것인데 이를TM TM

위해서는 의 운전조건 및 작업조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR PTO

축등 주요 동력전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정된 측

정값은 토양 물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부하량FACTOR

으로 가치가 있는 것이다 본 과제에서는 연구 차년도로 역학적 특성 1 TRACTOR

해석을 바탕으로 부하 계측용 및 취득장치를 개발하고 한국형SENSOR DATA

의 시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정TRACTOR

을 구축한다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 불성 를SYSTEM TRACTOR DATA

확보하기 위해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정장치를 개

발하고 지역별 토양 특성을 수집하여 화 함으로서 한국형DATA BASE TRACTOR

설계 및 시험기준 개발을 위한 기반을 구축 하고자 한다

- 12 -

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

우리나라의 농작업은 주로 동력경운기에 의하여 행하여져 왔으나 최근에 이르러는

조작이 쉽고 능률이 높은 트랙터의 사용이 증가되고 있다 트랙터의 농업작업은 부

하 변동이 심하고 작업의 종류와 작물 및 토양조건에 따라 영향을 받는다 따라서

한국 실정에 맞는 토양 및 작업조건에 적합한 트랙터 개발을 위해서는 실작업시 트

랙터 각 부위에 미치는 동적 특성을 검출하여 트랙터 작업 성능을 정확하게 평가함

이 무엇보다 중요하다

년 이전에는 트랙터의 성능을 예측하기 위하여 각 부위의 동적특성1980 (dynamic

을 측정하는데 아날로그 신호를 오실로스코프 나 마property) (analog) (oscilloscope)

그네틱 테이프 레코더에 기록하여 분석하는 데이터 수집장치였다 이 방법은 측정

상 많은 번거러움과 노력이 요구되며 측정자료의 신뢰성에 문제가 있었다

최근의 전기 전자산업의 발달로 인하여 이러한 문제점을 보완하기 위하여 마이크ㆍ

로 컴퓨터를 이용한 디지털 방법에 의한 자료 수집 및 분석시스템의 개발을(digital)

위한 연구가 계속되고 있다

- 13 -

제 절 연구목표2

트랙터의 기구학적 역학적 특성을 해석하고 트랙터에 작용하는 각종 부하의 크기ㆍ

와 형태를 분석하여 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준 선정에 필요한 측정 요인

각종 요인들을 감지할 수 있는 측정지점 및 계측방법을 결정한다 트랙터의 운전조

건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는 토크 축에 작( PTO ) PTO

용하는 토크 및 회전속도를 측정할 수 있는 트랙터 부하 측정시스템을 개발한다

가장 합리적인 방법으로 계측할 수 있는 센서기술 및 계측방법을 고안하고 자료수

집 프로그램을 개발함은 물론 작업 포장 및 실험실에서 부하 측정시스템의 검증실

험을 수행한다 또한 측정된 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 분석 등을 FFT PSD

이용한 통계적 분석기법 및 해석 프로그램을 개발한다

포장작업중에 트랙터의 운전조건 및 각 차축에 작용하는 토크 등을 측정할 수 있는

센서 및 계측기술을 개발한다 센서의 작동원리를 분석하고 각 센서의 감도를 설정

하여 트랙터에 장착한다

엔진 연료소비율 전후륜의 회전속도 전륜 및 후륜의 좌우측 차축토크RPM PTO

축의 토크 및 회전속도 등의 계측에 필요한 센서 및 계측기술을 개발한다 이미 알

고 있는 입력에 대한 센서의 출력을 분석하여 센서의 감도를 설정하고 신뢰도를 검

증하다

따라서 본 연구의 목적은 트랙터의 포장작업성능을 정확하고 능률적으로 평가할

수 있는 계측장치 자료수집장치와 분석방법을 개발한다

따라서 본 연구의 연구목표는 다음과 같다

트랙터의 운전조건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는1 ( PTO )

토크 스피드등 측정센서 및 계측기술을 개발한다

각각의 측정신호를 수집할 수 있는 자료수집 장치와 프로그램을 개발한다2

계측된 자료의 통계적 분석기법을 개발한다3

- 14 -

제 절 연구사3

년대 이전에는 정지상태에서의 농업기계의 성능시험을 해 왔었으나 최근에는1980

포장작업 성능실험에서 디지탈 마이크로 컴퓨터를 이용하여 측정자료를 수집할 수

있는 자료수집시스템 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있(data acquisition system)

다

등Grevis- James (16)은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 트랙터의 성능평가의AIM-65

기초자료의 견인력 주행속도 및 슬립 연료소모량 엔진의 회전속도를 마크네틱테

이프레코더 에 수집할 수 있는 자료수집 시스템을 개발하(magnetic tape recorder)

였다

최(16)는 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하였는데(one board)

단일보드 시스템을 인공토조에 부착하기 전에 실험실에서 수행하였으며 검력계의

측정감도 시험결과 각 방향의 힘에 대한 스트레인은 좋은 직진성을 보여주었다 원

판형 구절기 의 작업효율 평가에 필요한 자료를 정확하고 효율적으로 측정(coulter)

하기 위하여 마이크로 컴퓨터와 어셈블러 언어를 이용한 자료 수집장치AMI-65

를 개발하였다(data acquisition system)

등Hendrick (20)은 형의 마이크로컴퓨터를 이용하여 견인 및Intel 8030 single board

경운작업기의 성능평가자료의 분석결과만을 에 기억시켜 수집하는 포장형 측정RAM

시스템을 개발하였다

등Reynolds (21)은 트랙터의 포장성능을 평가하기 위한 데이터를 일단 에 저장하RAM

여 수집하는 수집형컴퓨터와 이것을 다시 케이블을 통해 받은 신호를 처리RS-232

하여 플로피 디스크에 기억시키게 하는 처리 저장용 프로그램을 갖고 있는 컴퓨터

로 구성된 자료수집 시스템을 개발하였다

등Chung (13)은 마이크로 컴퓨터를 이용한 트랙터의 포장 성능평가의 기초AMI-65

자료인 엔진의 회전속도 슬립 주행속도 견인력 연료소모량 구동토오크 등을 측

정하고 엔진의 회전속도 주행속도 등을 실험시작전에 모니터에 표시하여 적정 실

험상태를 판정한 후에 데이터를 수집하고 마그네틱테이프에 기록시킬 수 있는 시

스템을 개발하였다

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 2 -

중 간 보 고 서 제 출 서

년도 공업기반기술개발사업에 의하여 개발중인 한국형 트랙터 설계및 시험1996

기준개발에 관한 기술개발사업의 차년도 중간보고서를 별첨과 같이 제출합니1

다

첨 부 중간보고서 부 1 15

년 월 일1996 10 30

총괄 책임자 박 정 수 983193주 관 기 관 전선 주 기계LG ( ) CU

대 표 자 유 환 덕 직인

통 상 산 업 부 장 관 귀 하

- 3 -

한국형 트랙터 설계 및

시험기준개발에 관한 연구

차년도 중간보고서(1 )

1996 10 30

주관기관 전선 주 기계LG ( ) CU

위탁기관 성균관대학교 생물기전공학과

통 상 산 업 부

- 4 -

제 출 문

통 상 산 업 부 장 관 귀 하

본 보고서를 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준개발 과제의 중간보고서로 제출합ldquo rdquo

니다 개발기간 ( 1995121 ~ 19961130)

1996 10 30

개발사업주관기관명 전선 주 기계LG ( ) CU

개발사업총괄책임자 박 정 수

연 구 원 신 현 철

이 영 준

김 재 열

김 장 현

조 훈 환

위 탁 연 구 기 관 성 균 관 대 학 교

생물기전공학과

연 구 책 임 자 이 규 승

연 구 원 박 원 엽

연 구 책 임 자 최 창 현

연 구 원 김 재 민

- 5 -

목 차

제 장 서 론1

제 절 연구개요1

제 절 연구 필요성2

제 절 연구 목표3

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

제 절 연구목표2

제 절 연구사3

제 절 이론적 배경4

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

실험방법2

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

제 절 연구목표2

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양의 분류2

토양의 역학적 성질3

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

제 절 토양변수의 선정5

- 6 -

플라우의 견인저항 예측모델1

차량의 견인성능2

토양변수선정3

제 절 토양물리성 측정 장치의 개발6

설계배경1

장치의 구성2

제 절 결 론7

제 장 결 론4

참고문헌

- 7 -

제 장 서 론1

제 절 연구배경1

의 동력전달 장치는 자동차 및 타 산업기계와 마찬가지로 기계의 내구 수TRACTOR

명기간을 견딜수 있어야 하고 동시에 최적화 되어야 한다 이를 검증하기 위해서는

내구성능 및 성능시험을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 또한 시험기준은

곧 설계기준으로 국가별 또는 기업별로 기밀로 취급되어 이에 대한 구체적이고 종

합적인 자료를 구하는 것이 매우 어렵다

현재 국내 트랙터용 동력전달 장치의 시험기준은 외국으로 부터 비공식적으로 입수

한 부분적인 자료과 기업내에서 임의로 가정한 기준이나 기술제휴사에 전적으로 의

존하고 있는 상태이나 외국으로 부터 도입된 시험기준은 국내 농업 환경에는 적합

하지 않다

따라서 국내 농업기계 산업은 설계에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인

평가 구조를 이루지 못한 상태여서 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계기술

및 해외시장 확보를 위해서는 자체적으로 작성한 시험기준의 확립이 매우 시급한

상태이다

시험기준의 확립을 위해서는 실제의 다양한 포장에서 트랙터에 작용하는 기계적 특

성 토오크 응력 등과 이때의 토양물성을 계측하고 화 한다 또한 계측( ) DATA BASE

한 를 통계적으로 분석하여 기계재료에 대한 피로파괴이론을 적용하고 최종적DATA

으로 시험기준 및 설계기준을 작성하게 된다

이러한 시험기준을 확립함으로써 일차적으로 외국에 지급하는 기술료의 절감은 물

론 근본적인 독자 설계기술을 확립함으로써 외국의 기술종속을 탈피하는 중요한 전

환점이 될 수 있으며 중장기적으로는 제품의 질을 높이고 다양화하여 수입대체 및

수출증대효과에 크게 일조 할 것으로 기대된다

- 8 -

본 연구보고는 한국형 의 설계및 시험기준개발에 관한 차년도 연구보고TRACTOR 1

내용으로 부하계측 전용 개발 및 계측 개발 토양물성TRACTOR SYSTEM DATA

를 위한 토양변수 선정 및 토양물성 측정장치 개발에 대한 내용이다BASE

- 9 -

제 절 연구 필요성2

한국 농업기계의 수준이 선진국에 비해 가장 뒤떨어진 부분은 시험 및 설계 기준이

다 유럽 및 미국의 경우 대형 의 자체 설계 능력을 오래 전에 확보 TRACTOR TM

했고 일본의 경우 소형 위주의 자체 기술력 확보로 미국 시장 수출에 주력하고 있

다 외국의 경우 설계단계부터 를 이용하여 상에서 품질확인 3D-CAD COMPUTER

및 오류방지 개념이 년전 부터 도입되고 있다 기술축적 측면에서 단기적(CE) 3 ~ 4

이론 적용이 불가능한 기계공업은 특히 많은 경험과 시간이 필요하고 그것이 바로

후발업체 한국 의 기술 수준을 묶고 있는 큰 원인이기도 하다 농업기계의 역사가( )

짧은 우리 기술수준에서 의 시장 개방이 이루어질 경우 기술수준 확보여부에WTO

농업기계의 사활이 걸려 있다고 하겠다 특히 는 의 험로에서 TRACTOR OFF-LOAD

작동함으로써 부하의 변화가 심하고 작업시 고 토크가 수반된다는 관점에서 동력

전달 계통상의 설계능력 및 실작업 중심의 시험기준이 특히 요구된다 설계시 필수

적인 를 검증하기 위해서는 성능시험 내구시험 및 구조시험 진동 응REAL DATA (

력 등을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 이 같이 기계 공업 기술은 시험을)

통해 집성화 될 수 있을 만큼 개발단계에서 시험의 비중이 크기 때문에 국가별 또

는 기업별 기밀로 취급되고 있는 것이 당연하다 현재 국내 농업기계 산업은 설계

에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인 평가 구조를 이루지 못한 상태이므

로 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계 기술 및 시장개방 이후 경쟁력 우위

를 확보하기 위해서는 자체적인 시험 기준 확립이 매우 시급한 상태이다

- 10 -

제 절 연구목표3

한국의 토양및 작업조건에 적합한 의 개발을 위한 설계 및 시험 기준 확TRACTOR

립을 최종목표로 부하 계측 전용 를 제작하고 각부위의 토오크를 계측한TRACTOR

다 계측된 의 엄격한 통계분석을 통해 의 기구학적 역학적 특성을 DATA TRACTOR ㆍ

분석하고 우리나라의 대표적인 토양타입 분류와 부하로서 작동하는 토양 FACTOR

를 기준으로 토양물성 측정장치의 수 많은 실험을 통해 수집된 토양 물리성을

화 하여 상호 연관성을 분석한다 이상의 부하계측 토양물성DATA BASE DATA

를 통해 피로 이론을 적용하여 파괴수명을 예측할 수 있는 여러 가지 인자에DATA

대한 정보를 확보한다 기법으로 손상 누적에 의한 피로 수명 예측 S-N

을 완성하여 한국형 의 시험 기준을 확립한다 이상의 목표 과PROGRAM TRACTOR

제를 해결하기 위해 다음과 같은 항목으로 구분 연구한다

부하계측장치 개발- TRACTOR

계측기술 개발 및 계측 의 통계적 분석- DATA

토양 물성 개발- DATA BASE

피로이론을 적용한 수명예측 개발- PROGRAM

마력급별 시험기준 완성-

- 11 -

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개발 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발등이 그것인데 이를TM TM

위해서는 의 운전조건 및 작업조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR PTO

축등 주요 동력전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정된 측

정값은 토양 물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부하량FACTOR

으로 가치가 있는 것이다 본 과제에서는 연구 차년도로 역학적 특성 1 TRACTOR

해석을 바탕으로 부하 계측용 및 취득장치를 개발하고 한국형SENSOR DATA

의 시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정TRACTOR

을 구축한다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 불성 를SYSTEM TRACTOR DATA

확보하기 위해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정장치를 개

발하고 지역별 토양 특성을 수집하여 화 함으로서 한국형DATA BASE TRACTOR

설계 및 시험기준 개발을 위한 기반을 구축 하고자 한다

- 12 -

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

우리나라의 농작업은 주로 동력경운기에 의하여 행하여져 왔으나 최근에 이르러는

조작이 쉽고 능률이 높은 트랙터의 사용이 증가되고 있다 트랙터의 농업작업은 부

하 변동이 심하고 작업의 종류와 작물 및 토양조건에 따라 영향을 받는다 따라서

한국 실정에 맞는 토양 및 작업조건에 적합한 트랙터 개발을 위해서는 실작업시 트

랙터 각 부위에 미치는 동적 특성을 검출하여 트랙터 작업 성능을 정확하게 평가함

이 무엇보다 중요하다

년 이전에는 트랙터의 성능을 예측하기 위하여 각 부위의 동적특성1980 (dynamic

을 측정하는데 아날로그 신호를 오실로스코프 나 마property) (analog) (oscilloscope)

그네틱 테이프 레코더에 기록하여 분석하는 데이터 수집장치였다 이 방법은 측정

상 많은 번거러움과 노력이 요구되며 측정자료의 신뢰성에 문제가 있었다

최근의 전기 전자산업의 발달로 인하여 이러한 문제점을 보완하기 위하여 마이크ㆍ

로 컴퓨터를 이용한 디지털 방법에 의한 자료 수집 및 분석시스템의 개발을(digital)

위한 연구가 계속되고 있다

- 13 -

제 절 연구목표2

트랙터의 기구학적 역학적 특성을 해석하고 트랙터에 작용하는 각종 부하의 크기ㆍ

와 형태를 분석하여 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준 선정에 필요한 측정 요인

각종 요인들을 감지할 수 있는 측정지점 및 계측방법을 결정한다 트랙터의 운전조

건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는 토크 축에 작( PTO ) PTO

용하는 토크 및 회전속도를 측정할 수 있는 트랙터 부하 측정시스템을 개발한다

가장 합리적인 방법으로 계측할 수 있는 센서기술 및 계측방법을 고안하고 자료수

집 프로그램을 개발함은 물론 작업 포장 및 실험실에서 부하 측정시스템의 검증실

험을 수행한다 또한 측정된 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 분석 등을 FFT PSD

이용한 통계적 분석기법 및 해석 프로그램을 개발한다

포장작업중에 트랙터의 운전조건 및 각 차축에 작용하는 토크 등을 측정할 수 있는

센서 및 계측기술을 개발한다 센서의 작동원리를 분석하고 각 센서의 감도를 설정

하여 트랙터에 장착한다

엔진 연료소비율 전후륜의 회전속도 전륜 및 후륜의 좌우측 차축토크RPM PTO

축의 토크 및 회전속도 등의 계측에 필요한 센서 및 계측기술을 개발한다 이미 알

고 있는 입력에 대한 센서의 출력을 분석하여 센서의 감도를 설정하고 신뢰도를 검

증하다

따라서 본 연구의 목적은 트랙터의 포장작업성능을 정확하고 능률적으로 평가할

수 있는 계측장치 자료수집장치와 분석방법을 개발한다

따라서 본 연구의 연구목표는 다음과 같다

트랙터의 운전조건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는1 ( PTO )

토크 스피드등 측정센서 및 계측기술을 개발한다

각각의 측정신호를 수집할 수 있는 자료수집 장치와 프로그램을 개발한다2

계측된 자료의 통계적 분석기법을 개발한다3

- 14 -

제 절 연구사3

년대 이전에는 정지상태에서의 농업기계의 성능시험을 해 왔었으나 최근에는1980

포장작업 성능실험에서 디지탈 마이크로 컴퓨터를 이용하여 측정자료를 수집할 수

있는 자료수집시스템 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있(data acquisition system)

다

등Grevis- James (16)은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 트랙터의 성능평가의AIM-65

기초자료의 견인력 주행속도 및 슬립 연료소모량 엔진의 회전속도를 마크네틱테

이프레코더 에 수집할 수 있는 자료수집 시스템을 개발하(magnetic tape recorder)

였다

최(16)는 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하였는데(one board)

단일보드 시스템을 인공토조에 부착하기 전에 실험실에서 수행하였으며 검력계의

측정감도 시험결과 각 방향의 힘에 대한 스트레인은 좋은 직진성을 보여주었다 원

판형 구절기 의 작업효율 평가에 필요한 자료를 정확하고 효율적으로 측정(coulter)

하기 위하여 마이크로 컴퓨터와 어셈블러 언어를 이용한 자료 수집장치AMI-65

를 개발하였다(data acquisition system)

등Hendrick (20)은 형의 마이크로컴퓨터를 이용하여 견인 및Intel 8030 single board

경운작업기의 성능평가자료의 분석결과만을 에 기억시켜 수집하는 포장형 측정RAM

시스템을 개발하였다

등Reynolds (21)은 트랙터의 포장성능을 평가하기 위한 데이터를 일단 에 저장하RAM

여 수집하는 수집형컴퓨터와 이것을 다시 케이블을 통해 받은 신호를 처리RS-232

하여 플로피 디스크에 기억시키게 하는 처리 저장용 프로그램을 갖고 있는 컴퓨터

로 구성된 자료수집 시스템을 개발하였다

등Chung (13)은 마이크로 컴퓨터를 이용한 트랙터의 포장 성능평가의 기초AMI-65

자료인 엔진의 회전속도 슬립 주행속도 견인력 연료소모량 구동토오크 등을 측

정하고 엔진의 회전속도 주행속도 등을 실험시작전에 모니터에 표시하여 적정 실

험상태를 판정한 후에 데이터를 수집하고 마그네틱테이프에 기록시킬 수 있는 시

스템을 개발하였다

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 3 -

한국형 트랙터 설계 및

시험기준개발에 관한 연구

차년도 중간보고서(1 )

1996 10 30

주관기관 전선 주 기계LG ( ) CU

위탁기관 성균관대학교 생물기전공학과

통 상 산 업 부

- 4 -

제 출 문

통 상 산 업 부 장 관 귀 하

본 보고서를 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준개발 과제의 중간보고서로 제출합ldquo rdquo

니다 개발기간 ( 1995121 ~ 19961130)

1996 10 30

개발사업주관기관명 전선 주 기계LG ( ) CU

개발사업총괄책임자 박 정 수

연 구 원 신 현 철

이 영 준

김 재 열

김 장 현

조 훈 환

위 탁 연 구 기 관 성 균 관 대 학 교

생물기전공학과

연 구 책 임 자 이 규 승

연 구 원 박 원 엽

연 구 책 임 자 최 창 현

연 구 원 김 재 민

- 5 -

목 차

제 장 서 론1

제 절 연구개요1

제 절 연구 필요성2

제 절 연구 목표3

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

제 절 연구목표2

제 절 연구사3

제 절 이론적 배경4

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

실험방법2

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

제 절 연구목표2

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양의 분류2

토양의 역학적 성질3

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

제 절 토양변수의 선정5

- 6 -

플라우의 견인저항 예측모델1

차량의 견인성능2

토양변수선정3

제 절 토양물리성 측정 장치의 개발6

설계배경1

장치의 구성2

제 절 결 론7

제 장 결 론4

참고문헌

- 7 -

제 장 서 론1

제 절 연구배경1

의 동력전달 장치는 자동차 및 타 산업기계와 마찬가지로 기계의 내구 수TRACTOR

명기간을 견딜수 있어야 하고 동시에 최적화 되어야 한다 이를 검증하기 위해서는

내구성능 및 성능시험을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 또한 시험기준은

곧 설계기준으로 국가별 또는 기업별로 기밀로 취급되어 이에 대한 구체적이고 종

합적인 자료를 구하는 것이 매우 어렵다

현재 국내 트랙터용 동력전달 장치의 시험기준은 외국으로 부터 비공식적으로 입수

한 부분적인 자료과 기업내에서 임의로 가정한 기준이나 기술제휴사에 전적으로 의

존하고 있는 상태이나 외국으로 부터 도입된 시험기준은 국내 농업 환경에는 적합

하지 않다

따라서 국내 농업기계 산업은 설계에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인

평가 구조를 이루지 못한 상태여서 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계기술

및 해외시장 확보를 위해서는 자체적으로 작성한 시험기준의 확립이 매우 시급한

상태이다

시험기준의 확립을 위해서는 실제의 다양한 포장에서 트랙터에 작용하는 기계적 특

성 토오크 응력 등과 이때의 토양물성을 계측하고 화 한다 또한 계측( ) DATA BASE

한 를 통계적으로 분석하여 기계재료에 대한 피로파괴이론을 적용하고 최종적DATA

으로 시험기준 및 설계기준을 작성하게 된다

이러한 시험기준을 확립함으로써 일차적으로 외국에 지급하는 기술료의 절감은 물

론 근본적인 독자 설계기술을 확립함으로써 외국의 기술종속을 탈피하는 중요한 전

환점이 될 수 있으며 중장기적으로는 제품의 질을 높이고 다양화하여 수입대체 및

수출증대효과에 크게 일조 할 것으로 기대된다

- 8 -

본 연구보고는 한국형 의 설계및 시험기준개발에 관한 차년도 연구보고TRACTOR 1

내용으로 부하계측 전용 개발 및 계측 개발 토양물성TRACTOR SYSTEM DATA

를 위한 토양변수 선정 및 토양물성 측정장치 개발에 대한 내용이다BASE

- 9 -

제 절 연구 필요성2

한국 농업기계의 수준이 선진국에 비해 가장 뒤떨어진 부분은 시험 및 설계 기준이

다 유럽 및 미국의 경우 대형 의 자체 설계 능력을 오래 전에 확보 TRACTOR TM

했고 일본의 경우 소형 위주의 자체 기술력 확보로 미국 시장 수출에 주력하고 있

다 외국의 경우 설계단계부터 를 이용하여 상에서 품질확인 3D-CAD COMPUTER

및 오류방지 개념이 년전 부터 도입되고 있다 기술축적 측면에서 단기적(CE) 3 ~ 4

이론 적용이 불가능한 기계공업은 특히 많은 경험과 시간이 필요하고 그것이 바로

후발업체 한국 의 기술 수준을 묶고 있는 큰 원인이기도 하다 농업기계의 역사가( )

짧은 우리 기술수준에서 의 시장 개방이 이루어질 경우 기술수준 확보여부에WTO

농업기계의 사활이 걸려 있다고 하겠다 특히 는 의 험로에서 TRACTOR OFF-LOAD

작동함으로써 부하의 변화가 심하고 작업시 고 토크가 수반된다는 관점에서 동력

전달 계통상의 설계능력 및 실작업 중심의 시험기준이 특히 요구된다 설계시 필수

적인 를 검증하기 위해서는 성능시험 내구시험 및 구조시험 진동 응REAL DATA (

력 등을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 이 같이 기계 공업 기술은 시험을)

통해 집성화 될 수 있을 만큼 개발단계에서 시험의 비중이 크기 때문에 국가별 또

는 기업별 기밀로 취급되고 있는 것이 당연하다 현재 국내 농업기계 산업은 설계

에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인 평가 구조를 이루지 못한 상태이므

로 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계 기술 및 시장개방 이후 경쟁력 우위

를 확보하기 위해서는 자체적인 시험 기준 확립이 매우 시급한 상태이다

- 10 -

제 절 연구목표3

한국의 토양및 작업조건에 적합한 의 개발을 위한 설계 및 시험 기준 확TRACTOR

립을 최종목표로 부하 계측 전용 를 제작하고 각부위의 토오크를 계측한TRACTOR

다 계측된 의 엄격한 통계분석을 통해 의 기구학적 역학적 특성을 DATA TRACTOR ㆍ

분석하고 우리나라의 대표적인 토양타입 분류와 부하로서 작동하는 토양 FACTOR

를 기준으로 토양물성 측정장치의 수 많은 실험을 통해 수집된 토양 물리성을

화 하여 상호 연관성을 분석한다 이상의 부하계측 토양물성DATA BASE DATA

를 통해 피로 이론을 적용하여 파괴수명을 예측할 수 있는 여러 가지 인자에DATA

대한 정보를 확보한다 기법으로 손상 누적에 의한 피로 수명 예측 S-N

을 완성하여 한국형 의 시험 기준을 확립한다 이상의 목표 과PROGRAM TRACTOR

제를 해결하기 위해 다음과 같은 항목으로 구분 연구한다

부하계측장치 개발- TRACTOR

계측기술 개발 및 계측 의 통계적 분석- DATA

토양 물성 개발- DATA BASE

피로이론을 적용한 수명예측 개발- PROGRAM

마력급별 시험기준 완성-

- 11 -

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개발 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발등이 그것인데 이를TM TM

위해서는 의 운전조건 및 작업조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR PTO

축등 주요 동력전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정된 측

정값은 토양 물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부하량FACTOR

으로 가치가 있는 것이다 본 과제에서는 연구 차년도로 역학적 특성 1 TRACTOR

해석을 바탕으로 부하 계측용 및 취득장치를 개발하고 한국형SENSOR DATA

의 시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정TRACTOR

을 구축한다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 불성 를SYSTEM TRACTOR DATA

확보하기 위해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정장치를 개

발하고 지역별 토양 특성을 수집하여 화 함으로서 한국형DATA BASE TRACTOR

설계 및 시험기준 개발을 위한 기반을 구축 하고자 한다

- 12 -

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

우리나라의 농작업은 주로 동력경운기에 의하여 행하여져 왔으나 최근에 이르러는

조작이 쉽고 능률이 높은 트랙터의 사용이 증가되고 있다 트랙터의 농업작업은 부

하 변동이 심하고 작업의 종류와 작물 및 토양조건에 따라 영향을 받는다 따라서

한국 실정에 맞는 토양 및 작업조건에 적합한 트랙터 개발을 위해서는 실작업시 트

랙터 각 부위에 미치는 동적 특성을 검출하여 트랙터 작업 성능을 정확하게 평가함

이 무엇보다 중요하다

년 이전에는 트랙터의 성능을 예측하기 위하여 각 부위의 동적특성1980 (dynamic

을 측정하는데 아날로그 신호를 오실로스코프 나 마property) (analog) (oscilloscope)

그네틱 테이프 레코더에 기록하여 분석하는 데이터 수집장치였다 이 방법은 측정

상 많은 번거러움과 노력이 요구되며 측정자료의 신뢰성에 문제가 있었다

최근의 전기 전자산업의 발달로 인하여 이러한 문제점을 보완하기 위하여 마이크ㆍ

로 컴퓨터를 이용한 디지털 방법에 의한 자료 수집 및 분석시스템의 개발을(digital)

위한 연구가 계속되고 있다

- 13 -

제 절 연구목표2

트랙터의 기구학적 역학적 특성을 해석하고 트랙터에 작용하는 각종 부하의 크기ㆍ

와 형태를 분석하여 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준 선정에 필요한 측정 요인

각종 요인들을 감지할 수 있는 측정지점 및 계측방법을 결정한다 트랙터의 운전조

건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는 토크 축에 작( PTO ) PTO

용하는 토크 및 회전속도를 측정할 수 있는 트랙터 부하 측정시스템을 개발한다

가장 합리적인 방법으로 계측할 수 있는 센서기술 및 계측방법을 고안하고 자료수

집 프로그램을 개발함은 물론 작업 포장 및 실험실에서 부하 측정시스템의 검증실

험을 수행한다 또한 측정된 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 분석 등을 FFT PSD

이용한 통계적 분석기법 및 해석 프로그램을 개발한다

포장작업중에 트랙터의 운전조건 및 각 차축에 작용하는 토크 등을 측정할 수 있는

센서 및 계측기술을 개발한다 센서의 작동원리를 분석하고 각 센서의 감도를 설정

하여 트랙터에 장착한다

엔진 연료소비율 전후륜의 회전속도 전륜 및 후륜의 좌우측 차축토크RPM PTO

축의 토크 및 회전속도 등의 계측에 필요한 센서 및 계측기술을 개발한다 이미 알

고 있는 입력에 대한 센서의 출력을 분석하여 센서의 감도를 설정하고 신뢰도를 검

증하다

따라서 본 연구의 목적은 트랙터의 포장작업성능을 정확하고 능률적으로 평가할

수 있는 계측장치 자료수집장치와 분석방법을 개발한다

따라서 본 연구의 연구목표는 다음과 같다

트랙터의 운전조건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는1 ( PTO )

토크 스피드등 측정센서 및 계측기술을 개발한다

각각의 측정신호를 수집할 수 있는 자료수집 장치와 프로그램을 개발한다2

계측된 자료의 통계적 분석기법을 개발한다3

- 14 -

제 절 연구사3

년대 이전에는 정지상태에서의 농업기계의 성능시험을 해 왔었으나 최근에는1980

포장작업 성능실험에서 디지탈 마이크로 컴퓨터를 이용하여 측정자료를 수집할 수

있는 자료수집시스템 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있(data acquisition system)

다

등Grevis- James (16)은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 트랙터의 성능평가의AIM-65

기초자료의 견인력 주행속도 및 슬립 연료소모량 엔진의 회전속도를 마크네틱테

이프레코더 에 수집할 수 있는 자료수집 시스템을 개발하(magnetic tape recorder)

였다

최(16)는 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하였는데(one board)

단일보드 시스템을 인공토조에 부착하기 전에 실험실에서 수행하였으며 검력계의

측정감도 시험결과 각 방향의 힘에 대한 스트레인은 좋은 직진성을 보여주었다 원

판형 구절기 의 작업효율 평가에 필요한 자료를 정확하고 효율적으로 측정(coulter)

하기 위하여 마이크로 컴퓨터와 어셈블러 언어를 이용한 자료 수집장치AMI-65

를 개발하였다(data acquisition system)

등Hendrick (20)은 형의 마이크로컴퓨터를 이용하여 견인 및Intel 8030 single board

경운작업기의 성능평가자료의 분석결과만을 에 기억시켜 수집하는 포장형 측정RAM

시스템을 개발하였다

등Reynolds (21)은 트랙터의 포장성능을 평가하기 위한 데이터를 일단 에 저장하RAM

여 수집하는 수집형컴퓨터와 이것을 다시 케이블을 통해 받은 신호를 처리RS-232

하여 플로피 디스크에 기억시키게 하는 처리 저장용 프로그램을 갖고 있는 컴퓨터

로 구성된 자료수집 시스템을 개발하였다

등Chung (13)은 마이크로 컴퓨터를 이용한 트랙터의 포장 성능평가의 기초AMI-65

자료인 엔진의 회전속도 슬립 주행속도 견인력 연료소모량 구동토오크 등을 측

정하고 엔진의 회전속도 주행속도 등을 실험시작전에 모니터에 표시하여 적정 실

험상태를 판정한 후에 데이터를 수집하고 마그네틱테이프에 기록시킬 수 있는 시

스템을 개발하였다

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 4 -

제 출 문

통 상 산 업 부 장 관 귀 하

본 보고서를 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준개발 과제의 중간보고서로 제출합ldquo rdquo

니다 개발기간 ( 1995121 ~ 19961130)

1996 10 30

개발사업주관기관명 전선 주 기계LG ( ) CU

개발사업총괄책임자 박 정 수

연 구 원 신 현 철

이 영 준

김 재 열

김 장 현

조 훈 환

위 탁 연 구 기 관 성 균 관 대 학 교

생물기전공학과

연 구 책 임 자 이 규 승

연 구 원 박 원 엽

연 구 책 임 자 최 창 현

연 구 원 김 재 민

- 5 -

목 차

제 장 서 론1

제 절 연구개요1

제 절 연구 필요성2

제 절 연구 목표3

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

제 절 연구목표2

제 절 연구사3

제 절 이론적 배경4

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

실험방법2

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

제 절 연구목표2

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양의 분류2

토양의 역학적 성질3

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

제 절 토양변수의 선정5

- 6 -

플라우의 견인저항 예측모델1

차량의 견인성능2

토양변수선정3

제 절 토양물리성 측정 장치의 개발6

설계배경1

장치의 구성2

제 절 결 론7

제 장 결 론4

참고문헌

- 7 -

제 장 서 론1

제 절 연구배경1

의 동력전달 장치는 자동차 및 타 산업기계와 마찬가지로 기계의 내구 수TRACTOR

명기간을 견딜수 있어야 하고 동시에 최적화 되어야 한다 이를 검증하기 위해서는

내구성능 및 성능시험을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 또한 시험기준은

곧 설계기준으로 국가별 또는 기업별로 기밀로 취급되어 이에 대한 구체적이고 종

합적인 자료를 구하는 것이 매우 어렵다

현재 국내 트랙터용 동력전달 장치의 시험기준은 외국으로 부터 비공식적으로 입수

한 부분적인 자료과 기업내에서 임의로 가정한 기준이나 기술제휴사에 전적으로 의

존하고 있는 상태이나 외국으로 부터 도입된 시험기준은 국내 농업 환경에는 적합

하지 않다

따라서 국내 농업기계 산업은 설계에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인

평가 구조를 이루지 못한 상태여서 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계기술

및 해외시장 확보를 위해서는 자체적으로 작성한 시험기준의 확립이 매우 시급한

상태이다

시험기준의 확립을 위해서는 실제의 다양한 포장에서 트랙터에 작용하는 기계적 특

성 토오크 응력 등과 이때의 토양물성을 계측하고 화 한다 또한 계측( ) DATA BASE

한 를 통계적으로 분석하여 기계재료에 대한 피로파괴이론을 적용하고 최종적DATA

으로 시험기준 및 설계기준을 작성하게 된다

이러한 시험기준을 확립함으로써 일차적으로 외국에 지급하는 기술료의 절감은 물

론 근본적인 독자 설계기술을 확립함으로써 외국의 기술종속을 탈피하는 중요한 전

환점이 될 수 있으며 중장기적으로는 제품의 질을 높이고 다양화하여 수입대체 및

수출증대효과에 크게 일조 할 것으로 기대된다

- 8 -

본 연구보고는 한국형 의 설계및 시험기준개발에 관한 차년도 연구보고TRACTOR 1

내용으로 부하계측 전용 개발 및 계측 개발 토양물성TRACTOR SYSTEM DATA

를 위한 토양변수 선정 및 토양물성 측정장치 개발에 대한 내용이다BASE

- 9 -

제 절 연구 필요성2

한국 농업기계의 수준이 선진국에 비해 가장 뒤떨어진 부분은 시험 및 설계 기준이

다 유럽 및 미국의 경우 대형 의 자체 설계 능력을 오래 전에 확보 TRACTOR TM

했고 일본의 경우 소형 위주의 자체 기술력 확보로 미국 시장 수출에 주력하고 있

다 외국의 경우 설계단계부터 를 이용하여 상에서 품질확인 3D-CAD COMPUTER

및 오류방지 개념이 년전 부터 도입되고 있다 기술축적 측면에서 단기적(CE) 3 ~ 4

이론 적용이 불가능한 기계공업은 특히 많은 경험과 시간이 필요하고 그것이 바로

후발업체 한국 의 기술 수준을 묶고 있는 큰 원인이기도 하다 농업기계의 역사가( )

짧은 우리 기술수준에서 의 시장 개방이 이루어질 경우 기술수준 확보여부에WTO

농업기계의 사활이 걸려 있다고 하겠다 특히 는 의 험로에서 TRACTOR OFF-LOAD

작동함으로써 부하의 변화가 심하고 작업시 고 토크가 수반된다는 관점에서 동력

전달 계통상의 설계능력 및 실작업 중심의 시험기준이 특히 요구된다 설계시 필수

적인 를 검증하기 위해서는 성능시험 내구시험 및 구조시험 진동 응REAL DATA (

력 등을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 이 같이 기계 공업 기술은 시험을)

통해 집성화 될 수 있을 만큼 개발단계에서 시험의 비중이 크기 때문에 국가별 또

는 기업별 기밀로 취급되고 있는 것이 당연하다 현재 국내 농업기계 산업은 설계

에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인 평가 구조를 이루지 못한 상태이므

로 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계 기술 및 시장개방 이후 경쟁력 우위

를 확보하기 위해서는 자체적인 시험 기준 확립이 매우 시급한 상태이다

- 10 -

제 절 연구목표3

한국의 토양및 작업조건에 적합한 의 개발을 위한 설계 및 시험 기준 확TRACTOR

립을 최종목표로 부하 계측 전용 를 제작하고 각부위의 토오크를 계측한TRACTOR

다 계측된 의 엄격한 통계분석을 통해 의 기구학적 역학적 특성을 DATA TRACTOR ㆍ

분석하고 우리나라의 대표적인 토양타입 분류와 부하로서 작동하는 토양 FACTOR

를 기준으로 토양물성 측정장치의 수 많은 실험을 통해 수집된 토양 물리성을

화 하여 상호 연관성을 분석한다 이상의 부하계측 토양물성DATA BASE DATA

를 통해 피로 이론을 적용하여 파괴수명을 예측할 수 있는 여러 가지 인자에DATA

대한 정보를 확보한다 기법으로 손상 누적에 의한 피로 수명 예측 S-N

을 완성하여 한국형 의 시험 기준을 확립한다 이상의 목표 과PROGRAM TRACTOR

제를 해결하기 위해 다음과 같은 항목으로 구분 연구한다

부하계측장치 개발- TRACTOR

계측기술 개발 및 계측 의 통계적 분석- DATA

토양 물성 개발- DATA BASE

피로이론을 적용한 수명예측 개발- PROGRAM

마력급별 시험기준 완성-

- 11 -

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개발 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발등이 그것인데 이를TM TM

위해서는 의 운전조건 및 작업조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR PTO

축등 주요 동력전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정된 측

정값은 토양 물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부하량FACTOR

으로 가치가 있는 것이다 본 과제에서는 연구 차년도로 역학적 특성 1 TRACTOR

해석을 바탕으로 부하 계측용 및 취득장치를 개발하고 한국형SENSOR DATA

의 시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정TRACTOR

을 구축한다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 불성 를SYSTEM TRACTOR DATA

확보하기 위해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정장치를 개

발하고 지역별 토양 특성을 수집하여 화 함으로서 한국형DATA BASE TRACTOR

설계 및 시험기준 개발을 위한 기반을 구축 하고자 한다

- 12 -

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

우리나라의 농작업은 주로 동력경운기에 의하여 행하여져 왔으나 최근에 이르러는

조작이 쉽고 능률이 높은 트랙터의 사용이 증가되고 있다 트랙터의 농업작업은 부

하 변동이 심하고 작업의 종류와 작물 및 토양조건에 따라 영향을 받는다 따라서

한국 실정에 맞는 토양 및 작업조건에 적합한 트랙터 개발을 위해서는 실작업시 트

랙터 각 부위에 미치는 동적 특성을 검출하여 트랙터 작업 성능을 정확하게 평가함

이 무엇보다 중요하다

년 이전에는 트랙터의 성능을 예측하기 위하여 각 부위의 동적특성1980 (dynamic

을 측정하는데 아날로그 신호를 오실로스코프 나 마property) (analog) (oscilloscope)

그네틱 테이프 레코더에 기록하여 분석하는 데이터 수집장치였다 이 방법은 측정

상 많은 번거러움과 노력이 요구되며 측정자료의 신뢰성에 문제가 있었다

최근의 전기 전자산업의 발달로 인하여 이러한 문제점을 보완하기 위하여 마이크ㆍ

로 컴퓨터를 이용한 디지털 방법에 의한 자료 수집 및 분석시스템의 개발을(digital)

위한 연구가 계속되고 있다

- 13 -

제 절 연구목표2

트랙터의 기구학적 역학적 특성을 해석하고 트랙터에 작용하는 각종 부하의 크기ㆍ

와 형태를 분석하여 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준 선정에 필요한 측정 요인

각종 요인들을 감지할 수 있는 측정지점 및 계측방법을 결정한다 트랙터의 운전조

건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는 토크 축에 작( PTO ) PTO

용하는 토크 및 회전속도를 측정할 수 있는 트랙터 부하 측정시스템을 개발한다

가장 합리적인 방법으로 계측할 수 있는 센서기술 및 계측방법을 고안하고 자료수

집 프로그램을 개발함은 물론 작업 포장 및 실험실에서 부하 측정시스템의 검증실

험을 수행한다 또한 측정된 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 분석 등을 FFT PSD

이용한 통계적 분석기법 및 해석 프로그램을 개발한다

포장작업중에 트랙터의 운전조건 및 각 차축에 작용하는 토크 등을 측정할 수 있는

센서 및 계측기술을 개발한다 센서의 작동원리를 분석하고 각 센서의 감도를 설정

하여 트랙터에 장착한다

엔진 연료소비율 전후륜의 회전속도 전륜 및 후륜의 좌우측 차축토크RPM PTO

축의 토크 및 회전속도 등의 계측에 필요한 센서 및 계측기술을 개발한다 이미 알

고 있는 입력에 대한 센서의 출력을 분석하여 센서의 감도를 설정하고 신뢰도를 검

증하다

따라서 본 연구의 목적은 트랙터의 포장작업성능을 정확하고 능률적으로 평가할

수 있는 계측장치 자료수집장치와 분석방법을 개발한다

따라서 본 연구의 연구목표는 다음과 같다

트랙터의 운전조건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는1 ( PTO )

토크 스피드등 측정센서 및 계측기술을 개발한다

각각의 측정신호를 수집할 수 있는 자료수집 장치와 프로그램을 개발한다2

계측된 자료의 통계적 분석기법을 개발한다3

- 14 -

제 절 연구사3

년대 이전에는 정지상태에서의 농업기계의 성능시험을 해 왔었으나 최근에는1980

포장작업 성능실험에서 디지탈 마이크로 컴퓨터를 이용하여 측정자료를 수집할 수

있는 자료수집시스템 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있(data acquisition system)

다

등Grevis- James (16)은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 트랙터의 성능평가의AIM-65

기초자료의 견인력 주행속도 및 슬립 연료소모량 엔진의 회전속도를 마크네틱테

이프레코더 에 수집할 수 있는 자료수집 시스템을 개발하(magnetic tape recorder)

였다

최(16)는 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하였는데(one board)

단일보드 시스템을 인공토조에 부착하기 전에 실험실에서 수행하였으며 검력계의

측정감도 시험결과 각 방향의 힘에 대한 스트레인은 좋은 직진성을 보여주었다 원

판형 구절기 의 작업효율 평가에 필요한 자료를 정확하고 효율적으로 측정(coulter)

하기 위하여 마이크로 컴퓨터와 어셈블러 언어를 이용한 자료 수집장치AMI-65

를 개발하였다(data acquisition system)

등Hendrick (20)은 형의 마이크로컴퓨터를 이용하여 견인 및Intel 8030 single board

경운작업기의 성능평가자료의 분석결과만을 에 기억시켜 수집하는 포장형 측정RAM

시스템을 개발하였다

등Reynolds (21)은 트랙터의 포장성능을 평가하기 위한 데이터를 일단 에 저장하RAM

여 수집하는 수집형컴퓨터와 이것을 다시 케이블을 통해 받은 신호를 처리RS-232

하여 플로피 디스크에 기억시키게 하는 처리 저장용 프로그램을 갖고 있는 컴퓨터

로 구성된 자료수집 시스템을 개발하였다

등Chung (13)은 마이크로 컴퓨터를 이용한 트랙터의 포장 성능평가의 기초AMI-65

자료인 엔진의 회전속도 슬립 주행속도 견인력 연료소모량 구동토오크 등을 측

정하고 엔진의 회전속도 주행속도 등을 실험시작전에 모니터에 표시하여 적정 실

험상태를 판정한 후에 데이터를 수집하고 마그네틱테이프에 기록시킬 수 있는 시

스템을 개발하였다

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 5 -

목 차

제 장 서 론1

제 절 연구개요1

제 절 연구 필요성2

제 절 연구 목표3

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

제 절 연구목표2

제 절 연구사3

제 절 이론적 배경4

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

실험방법2

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

제 절 연구목표2

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양의 분류2

토양의 역학적 성질3

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

제 절 토양변수의 선정5

- 6 -

플라우의 견인저항 예측모델1

차량의 견인성능2

토양변수선정3

제 절 토양물리성 측정 장치의 개발6

설계배경1

장치의 구성2

제 절 결 론7

제 장 결 론4

참고문헌

- 7 -

제 장 서 론1

제 절 연구배경1

의 동력전달 장치는 자동차 및 타 산업기계와 마찬가지로 기계의 내구 수TRACTOR

명기간을 견딜수 있어야 하고 동시에 최적화 되어야 한다 이를 검증하기 위해서는

내구성능 및 성능시험을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 또한 시험기준은

곧 설계기준으로 국가별 또는 기업별로 기밀로 취급되어 이에 대한 구체적이고 종

합적인 자료를 구하는 것이 매우 어렵다

현재 국내 트랙터용 동력전달 장치의 시험기준은 외국으로 부터 비공식적으로 입수

한 부분적인 자료과 기업내에서 임의로 가정한 기준이나 기술제휴사에 전적으로 의

존하고 있는 상태이나 외국으로 부터 도입된 시험기준은 국내 농업 환경에는 적합

하지 않다

따라서 국내 농업기계 산업은 설계에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인

평가 구조를 이루지 못한 상태여서 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계기술

및 해외시장 확보를 위해서는 자체적으로 작성한 시험기준의 확립이 매우 시급한

상태이다

시험기준의 확립을 위해서는 실제의 다양한 포장에서 트랙터에 작용하는 기계적 특

성 토오크 응력 등과 이때의 토양물성을 계측하고 화 한다 또한 계측( ) DATA BASE

한 를 통계적으로 분석하여 기계재료에 대한 피로파괴이론을 적용하고 최종적DATA

으로 시험기준 및 설계기준을 작성하게 된다

이러한 시험기준을 확립함으로써 일차적으로 외국에 지급하는 기술료의 절감은 물

론 근본적인 독자 설계기술을 확립함으로써 외국의 기술종속을 탈피하는 중요한 전

환점이 될 수 있으며 중장기적으로는 제품의 질을 높이고 다양화하여 수입대체 및

수출증대효과에 크게 일조 할 것으로 기대된다

- 8 -

본 연구보고는 한국형 의 설계및 시험기준개발에 관한 차년도 연구보고TRACTOR 1

내용으로 부하계측 전용 개발 및 계측 개발 토양물성TRACTOR SYSTEM DATA

를 위한 토양변수 선정 및 토양물성 측정장치 개발에 대한 내용이다BASE

- 9 -

제 절 연구 필요성2

한국 농업기계의 수준이 선진국에 비해 가장 뒤떨어진 부분은 시험 및 설계 기준이

다 유럽 및 미국의 경우 대형 의 자체 설계 능력을 오래 전에 확보 TRACTOR TM

했고 일본의 경우 소형 위주의 자체 기술력 확보로 미국 시장 수출에 주력하고 있

다 외국의 경우 설계단계부터 를 이용하여 상에서 품질확인 3D-CAD COMPUTER

및 오류방지 개념이 년전 부터 도입되고 있다 기술축적 측면에서 단기적(CE) 3 ~ 4

이론 적용이 불가능한 기계공업은 특히 많은 경험과 시간이 필요하고 그것이 바로

후발업체 한국 의 기술 수준을 묶고 있는 큰 원인이기도 하다 농업기계의 역사가( )

짧은 우리 기술수준에서 의 시장 개방이 이루어질 경우 기술수준 확보여부에WTO

농업기계의 사활이 걸려 있다고 하겠다 특히 는 의 험로에서 TRACTOR OFF-LOAD

작동함으로써 부하의 변화가 심하고 작업시 고 토크가 수반된다는 관점에서 동력

전달 계통상의 설계능력 및 실작업 중심의 시험기준이 특히 요구된다 설계시 필수

적인 를 검증하기 위해서는 성능시험 내구시험 및 구조시험 진동 응REAL DATA (

력 등을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 이 같이 기계 공업 기술은 시험을)

통해 집성화 될 수 있을 만큼 개발단계에서 시험의 비중이 크기 때문에 국가별 또

는 기업별 기밀로 취급되고 있는 것이 당연하다 현재 국내 농업기계 산업은 설계

에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인 평가 구조를 이루지 못한 상태이므

로 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계 기술 및 시장개방 이후 경쟁력 우위

를 확보하기 위해서는 자체적인 시험 기준 확립이 매우 시급한 상태이다

- 10 -

제 절 연구목표3

한국의 토양및 작업조건에 적합한 의 개발을 위한 설계 및 시험 기준 확TRACTOR

립을 최종목표로 부하 계측 전용 를 제작하고 각부위의 토오크를 계측한TRACTOR

다 계측된 의 엄격한 통계분석을 통해 의 기구학적 역학적 특성을 DATA TRACTOR ㆍ

분석하고 우리나라의 대표적인 토양타입 분류와 부하로서 작동하는 토양 FACTOR

를 기준으로 토양물성 측정장치의 수 많은 실험을 통해 수집된 토양 물리성을

화 하여 상호 연관성을 분석한다 이상의 부하계측 토양물성DATA BASE DATA

를 통해 피로 이론을 적용하여 파괴수명을 예측할 수 있는 여러 가지 인자에DATA

대한 정보를 확보한다 기법으로 손상 누적에 의한 피로 수명 예측 S-N

을 완성하여 한국형 의 시험 기준을 확립한다 이상의 목표 과PROGRAM TRACTOR

제를 해결하기 위해 다음과 같은 항목으로 구분 연구한다

부하계측장치 개발- TRACTOR

계측기술 개발 및 계측 의 통계적 분석- DATA

토양 물성 개발- DATA BASE

피로이론을 적용한 수명예측 개발- PROGRAM

마력급별 시험기준 완성-

- 11 -

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개발 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발등이 그것인데 이를TM TM

위해서는 의 운전조건 및 작업조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR PTO

축등 주요 동력전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정된 측

정값은 토양 물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부하량FACTOR

으로 가치가 있는 것이다 본 과제에서는 연구 차년도로 역학적 특성 1 TRACTOR

해석을 바탕으로 부하 계측용 및 취득장치를 개발하고 한국형SENSOR DATA

의 시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정TRACTOR

을 구축한다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 불성 를SYSTEM TRACTOR DATA

확보하기 위해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정장치를 개

발하고 지역별 토양 특성을 수집하여 화 함으로서 한국형DATA BASE TRACTOR

설계 및 시험기준 개발을 위한 기반을 구축 하고자 한다

- 12 -

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

우리나라의 농작업은 주로 동력경운기에 의하여 행하여져 왔으나 최근에 이르러는

조작이 쉽고 능률이 높은 트랙터의 사용이 증가되고 있다 트랙터의 농업작업은 부

하 변동이 심하고 작업의 종류와 작물 및 토양조건에 따라 영향을 받는다 따라서

한국 실정에 맞는 토양 및 작업조건에 적합한 트랙터 개발을 위해서는 실작업시 트

랙터 각 부위에 미치는 동적 특성을 검출하여 트랙터 작업 성능을 정확하게 평가함

이 무엇보다 중요하다

년 이전에는 트랙터의 성능을 예측하기 위하여 각 부위의 동적특성1980 (dynamic

을 측정하는데 아날로그 신호를 오실로스코프 나 마property) (analog) (oscilloscope)

그네틱 테이프 레코더에 기록하여 분석하는 데이터 수집장치였다 이 방법은 측정

상 많은 번거러움과 노력이 요구되며 측정자료의 신뢰성에 문제가 있었다

최근의 전기 전자산업의 발달로 인하여 이러한 문제점을 보완하기 위하여 마이크ㆍ

로 컴퓨터를 이용한 디지털 방법에 의한 자료 수집 및 분석시스템의 개발을(digital)

위한 연구가 계속되고 있다

- 13 -

제 절 연구목표2

트랙터의 기구학적 역학적 특성을 해석하고 트랙터에 작용하는 각종 부하의 크기ㆍ

와 형태를 분석하여 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준 선정에 필요한 측정 요인

각종 요인들을 감지할 수 있는 측정지점 및 계측방법을 결정한다 트랙터의 운전조

건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는 토크 축에 작( PTO ) PTO

용하는 토크 및 회전속도를 측정할 수 있는 트랙터 부하 측정시스템을 개발한다

가장 합리적인 방법으로 계측할 수 있는 센서기술 및 계측방법을 고안하고 자료수

집 프로그램을 개발함은 물론 작업 포장 및 실험실에서 부하 측정시스템의 검증실

험을 수행한다 또한 측정된 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 분석 등을 FFT PSD

이용한 통계적 분석기법 및 해석 프로그램을 개발한다

포장작업중에 트랙터의 운전조건 및 각 차축에 작용하는 토크 등을 측정할 수 있는

센서 및 계측기술을 개발한다 센서의 작동원리를 분석하고 각 센서의 감도를 설정

하여 트랙터에 장착한다

엔진 연료소비율 전후륜의 회전속도 전륜 및 후륜의 좌우측 차축토크RPM PTO

축의 토크 및 회전속도 등의 계측에 필요한 센서 및 계측기술을 개발한다 이미 알

고 있는 입력에 대한 센서의 출력을 분석하여 센서의 감도를 설정하고 신뢰도를 검

증하다

따라서 본 연구의 목적은 트랙터의 포장작업성능을 정확하고 능률적으로 평가할

수 있는 계측장치 자료수집장치와 분석방법을 개발한다

따라서 본 연구의 연구목표는 다음과 같다

트랙터의 운전조건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는1 ( PTO )

토크 스피드등 측정센서 및 계측기술을 개발한다

각각의 측정신호를 수집할 수 있는 자료수집 장치와 프로그램을 개발한다2

계측된 자료의 통계적 분석기법을 개발한다3

- 14 -

제 절 연구사3

년대 이전에는 정지상태에서의 농업기계의 성능시험을 해 왔었으나 최근에는1980

포장작업 성능실험에서 디지탈 마이크로 컴퓨터를 이용하여 측정자료를 수집할 수

있는 자료수집시스템 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있(data acquisition system)

다

등Grevis- James (16)은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 트랙터의 성능평가의AIM-65

기초자료의 견인력 주행속도 및 슬립 연료소모량 엔진의 회전속도를 마크네틱테

이프레코더 에 수집할 수 있는 자료수집 시스템을 개발하(magnetic tape recorder)

였다

최(16)는 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하였는데(one board)

단일보드 시스템을 인공토조에 부착하기 전에 실험실에서 수행하였으며 검력계의

측정감도 시험결과 각 방향의 힘에 대한 스트레인은 좋은 직진성을 보여주었다 원

판형 구절기 의 작업효율 평가에 필요한 자료를 정확하고 효율적으로 측정(coulter)

하기 위하여 마이크로 컴퓨터와 어셈블러 언어를 이용한 자료 수집장치AMI-65

를 개발하였다(data acquisition system)

등Hendrick (20)은 형의 마이크로컴퓨터를 이용하여 견인 및Intel 8030 single board

경운작업기의 성능평가자료의 분석결과만을 에 기억시켜 수집하는 포장형 측정RAM

시스템을 개발하였다

등Reynolds (21)은 트랙터의 포장성능을 평가하기 위한 데이터를 일단 에 저장하RAM

여 수집하는 수집형컴퓨터와 이것을 다시 케이블을 통해 받은 신호를 처리RS-232

하여 플로피 디스크에 기억시키게 하는 처리 저장용 프로그램을 갖고 있는 컴퓨터

로 구성된 자료수집 시스템을 개발하였다

등Chung (13)은 마이크로 컴퓨터를 이용한 트랙터의 포장 성능평가의 기초AMI-65

자료인 엔진의 회전속도 슬립 주행속도 견인력 연료소모량 구동토오크 등을 측

정하고 엔진의 회전속도 주행속도 등을 실험시작전에 모니터에 표시하여 적정 실

험상태를 판정한 후에 데이터를 수집하고 마그네틱테이프에 기록시킬 수 있는 시

스템을 개발하였다

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 6 -

플라우의 견인저항 예측모델1

차량의 견인성능2

토양변수선정3

제 절 토양물리성 측정 장치의 개발6

설계배경1

장치의 구성2

제 절 결 론7

제 장 결 론4

참고문헌

- 7 -

제 장 서 론1

제 절 연구배경1

의 동력전달 장치는 자동차 및 타 산업기계와 마찬가지로 기계의 내구 수TRACTOR

명기간을 견딜수 있어야 하고 동시에 최적화 되어야 한다 이를 검증하기 위해서는

내구성능 및 성능시험을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 또한 시험기준은

곧 설계기준으로 국가별 또는 기업별로 기밀로 취급되어 이에 대한 구체적이고 종

합적인 자료를 구하는 것이 매우 어렵다

현재 국내 트랙터용 동력전달 장치의 시험기준은 외국으로 부터 비공식적으로 입수

한 부분적인 자료과 기업내에서 임의로 가정한 기준이나 기술제휴사에 전적으로 의

존하고 있는 상태이나 외국으로 부터 도입된 시험기준은 국내 농업 환경에는 적합

하지 않다

따라서 국내 농업기계 산업은 설계에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인

평가 구조를 이루지 못한 상태여서 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계기술

및 해외시장 확보를 위해서는 자체적으로 작성한 시험기준의 확립이 매우 시급한

상태이다

시험기준의 확립을 위해서는 실제의 다양한 포장에서 트랙터에 작용하는 기계적 특

성 토오크 응력 등과 이때의 토양물성을 계측하고 화 한다 또한 계측( ) DATA BASE

한 를 통계적으로 분석하여 기계재료에 대한 피로파괴이론을 적용하고 최종적DATA

으로 시험기준 및 설계기준을 작성하게 된다

이러한 시험기준을 확립함으로써 일차적으로 외국에 지급하는 기술료의 절감은 물

론 근본적인 독자 설계기술을 확립함으로써 외국의 기술종속을 탈피하는 중요한 전

환점이 될 수 있으며 중장기적으로는 제품의 질을 높이고 다양화하여 수입대체 및

수출증대효과에 크게 일조 할 것으로 기대된다

- 8 -

본 연구보고는 한국형 의 설계및 시험기준개발에 관한 차년도 연구보고TRACTOR 1

내용으로 부하계측 전용 개발 및 계측 개발 토양물성TRACTOR SYSTEM DATA

를 위한 토양변수 선정 및 토양물성 측정장치 개발에 대한 내용이다BASE

- 9 -

제 절 연구 필요성2

한국 농업기계의 수준이 선진국에 비해 가장 뒤떨어진 부분은 시험 및 설계 기준이

다 유럽 및 미국의 경우 대형 의 자체 설계 능력을 오래 전에 확보 TRACTOR TM

했고 일본의 경우 소형 위주의 자체 기술력 확보로 미국 시장 수출에 주력하고 있

다 외국의 경우 설계단계부터 를 이용하여 상에서 품질확인 3D-CAD COMPUTER

및 오류방지 개념이 년전 부터 도입되고 있다 기술축적 측면에서 단기적(CE) 3 ~ 4

이론 적용이 불가능한 기계공업은 특히 많은 경험과 시간이 필요하고 그것이 바로

후발업체 한국 의 기술 수준을 묶고 있는 큰 원인이기도 하다 농업기계의 역사가( )

짧은 우리 기술수준에서 의 시장 개방이 이루어질 경우 기술수준 확보여부에WTO

농업기계의 사활이 걸려 있다고 하겠다 특히 는 의 험로에서 TRACTOR OFF-LOAD

작동함으로써 부하의 변화가 심하고 작업시 고 토크가 수반된다는 관점에서 동력

전달 계통상의 설계능력 및 실작업 중심의 시험기준이 특히 요구된다 설계시 필수

적인 를 검증하기 위해서는 성능시험 내구시험 및 구조시험 진동 응REAL DATA (

력 등을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 이 같이 기계 공업 기술은 시험을)

통해 집성화 될 수 있을 만큼 개발단계에서 시험의 비중이 크기 때문에 국가별 또

는 기업별 기밀로 취급되고 있는 것이 당연하다 현재 국내 농업기계 산업은 설계

에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인 평가 구조를 이루지 못한 상태이므

로 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계 기술 및 시장개방 이후 경쟁력 우위

를 확보하기 위해서는 자체적인 시험 기준 확립이 매우 시급한 상태이다

- 10 -

제 절 연구목표3

한국의 토양및 작업조건에 적합한 의 개발을 위한 설계 및 시험 기준 확TRACTOR

립을 최종목표로 부하 계측 전용 를 제작하고 각부위의 토오크를 계측한TRACTOR

다 계측된 의 엄격한 통계분석을 통해 의 기구학적 역학적 특성을 DATA TRACTOR ㆍ

분석하고 우리나라의 대표적인 토양타입 분류와 부하로서 작동하는 토양 FACTOR

를 기준으로 토양물성 측정장치의 수 많은 실험을 통해 수집된 토양 물리성을

화 하여 상호 연관성을 분석한다 이상의 부하계측 토양물성DATA BASE DATA

를 통해 피로 이론을 적용하여 파괴수명을 예측할 수 있는 여러 가지 인자에DATA

대한 정보를 확보한다 기법으로 손상 누적에 의한 피로 수명 예측 S-N

을 완성하여 한국형 의 시험 기준을 확립한다 이상의 목표 과PROGRAM TRACTOR

제를 해결하기 위해 다음과 같은 항목으로 구분 연구한다

부하계측장치 개발- TRACTOR

계측기술 개발 및 계측 의 통계적 분석- DATA

토양 물성 개발- DATA BASE

피로이론을 적용한 수명예측 개발- PROGRAM

마력급별 시험기준 완성-

- 11 -

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개발 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발등이 그것인데 이를TM TM

위해서는 의 운전조건 및 작업조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR PTO

축등 주요 동력전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정된 측

정값은 토양 물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부하량FACTOR

으로 가치가 있는 것이다 본 과제에서는 연구 차년도로 역학적 특성 1 TRACTOR

해석을 바탕으로 부하 계측용 및 취득장치를 개발하고 한국형SENSOR DATA

의 시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정TRACTOR

을 구축한다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 불성 를SYSTEM TRACTOR DATA

확보하기 위해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정장치를 개

발하고 지역별 토양 특성을 수집하여 화 함으로서 한국형DATA BASE TRACTOR

설계 및 시험기준 개발을 위한 기반을 구축 하고자 한다

- 12 -

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

우리나라의 농작업은 주로 동력경운기에 의하여 행하여져 왔으나 최근에 이르러는

조작이 쉽고 능률이 높은 트랙터의 사용이 증가되고 있다 트랙터의 농업작업은 부

하 변동이 심하고 작업의 종류와 작물 및 토양조건에 따라 영향을 받는다 따라서

한국 실정에 맞는 토양 및 작업조건에 적합한 트랙터 개발을 위해서는 실작업시 트

랙터 각 부위에 미치는 동적 특성을 검출하여 트랙터 작업 성능을 정확하게 평가함

이 무엇보다 중요하다

년 이전에는 트랙터의 성능을 예측하기 위하여 각 부위의 동적특성1980 (dynamic

을 측정하는데 아날로그 신호를 오실로스코프 나 마property) (analog) (oscilloscope)

그네틱 테이프 레코더에 기록하여 분석하는 데이터 수집장치였다 이 방법은 측정

상 많은 번거러움과 노력이 요구되며 측정자료의 신뢰성에 문제가 있었다

최근의 전기 전자산업의 발달로 인하여 이러한 문제점을 보완하기 위하여 마이크ㆍ

로 컴퓨터를 이용한 디지털 방법에 의한 자료 수집 및 분석시스템의 개발을(digital)

위한 연구가 계속되고 있다

- 13 -

제 절 연구목표2

트랙터의 기구학적 역학적 특성을 해석하고 트랙터에 작용하는 각종 부하의 크기ㆍ

와 형태를 분석하여 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준 선정에 필요한 측정 요인

각종 요인들을 감지할 수 있는 측정지점 및 계측방법을 결정한다 트랙터의 운전조

건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는 토크 축에 작( PTO ) PTO

용하는 토크 및 회전속도를 측정할 수 있는 트랙터 부하 측정시스템을 개발한다

가장 합리적인 방법으로 계측할 수 있는 센서기술 및 계측방법을 고안하고 자료수

집 프로그램을 개발함은 물론 작업 포장 및 실험실에서 부하 측정시스템의 검증실

험을 수행한다 또한 측정된 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 분석 등을 FFT PSD

이용한 통계적 분석기법 및 해석 프로그램을 개발한다

포장작업중에 트랙터의 운전조건 및 각 차축에 작용하는 토크 등을 측정할 수 있는

센서 및 계측기술을 개발한다 센서의 작동원리를 분석하고 각 센서의 감도를 설정

하여 트랙터에 장착한다

엔진 연료소비율 전후륜의 회전속도 전륜 및 후륜의 좌우측 차축토크RPM PTO

축의 토크 및 회전속도 등의 계측에 필요한 센서 및 계측기술을 개발한다 이미 알

고 있는 입력에 대한 센서의 출력을 분석하여 센서의 감도를 설정하고 신뢰도를 검

증하다

따라서 본 연구의 목적은 트랙터의 포장작업성능을 정확하고 능률적으로 평가할

수 있는 계측장치 자료수집장치와 분석방법을 개발한다

따라서 본 연구의 연구목표는 다음과 같다

트랙터의 운전조건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는1 ( PTO )

토크 스피드등 측정센서 및 계측기술을 개발한다

각각의 측정신호를 수집할 수 있는 자료수집 장치와 프로그램을 개발한다2

계측된 자료의 통계적 분석기법을 개발한다3

- 14 -

제 절 연구사3

년대 이전에는 정지상태에서의 농업기계의 성능시험을 해 왔었으나 최근에는1980

포장작업 성능실험에서 디지탈 마이크로 컴퓨터를 이용하여 측정자료를 수집할 수

있는 자료수집시스템 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있(data acquisition system)

다

등Grevis- James (16)은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 트랙터의 성능평가의AIM-65

기초자료의 견인력 주행속도 및 슬립 연료소모량 엔진의 회전속도를 마크네틱테

이프레코더 에 수집할 수 있는 자료수집 시스템을 개발하(magnetic tape recorder)

였다

최(16)는 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하였는데(one board)

단일보드 시스템을 인공토조에 부착하기 전에 실험실에서 수행하였으며 검력계의

측정감도 시험결과 각 방향의 힘에 대한 스트레인은 좋은 직진성을 보여주었다 원

판형 구절기 의 작업효율 평가에 필요한 자료를 정확하고 효율적으로 측정(coulter)

하기 위하여 마이크로 컴퓨터와 어셈블러 언어를 이용한 자료 수집장치AMI-65

를 개발하였다(data acquisition system)

등Hendrick (20)은 형의 마이크로컴퓨터를 이용하여 견인 및Intel 8030 single board

경운작업기의 성능평가자료의 분석결과만을 에 기억시켜 수집하는 포장형 측정RAM

시스템을 개발하였다

등Reynolds (21)은 트랙터의 포장성능을 평가하기 위한 데이터를 일단 에 저장하RAM

여 수집하는 수집형컴퓨터와 이것을 다시 케이블을 통해 받은 신호를 처리RS-232

하여 플로피 디스크에 기억시키게 하는 처리 저장용 프로그램을 갖고 있는 컴퓨터

로 구성된 자료수집 시스템을 개발하였다

등Chung (13)은 마이크로 컴퓨터를 이용한 트랙터의 포장 성능평가의 기초AMI-65

자료인 엔진의 회전속도 슬립 주행속도 견인력 연료소모량 구동토오크 등을 측

정하고 엔진의 회전속도 주행속도 등을 실험시작전에 모니터에 표시하여 적정 실

험상태를 판정한 후에 데이터를 수집하고 마그네틱테이프에 기록시킬 수 있는 시

스템을 개발하였다

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 7 -

제 장 서 론1

제 절 연구배경1

의 동력전달 장치는 자동차 및 타 산업기계와 마찬가지로 기계의 내구 수TRACTOR

명기간을 견딜수 있어야 하고 동시에 최적화 되어야 한다 이를 검증하기 위해서는

내구성능 및 성능시험을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 또한 시험기준은

곧 설계기준으로 국가별 또는 기업별로 기밀로 취급되어 이에 대한 구체적이고 종

합적인 자료를 구하는 것이 매우 어렵다

현재 국내 트랙터용 동력전달 장치의 시험기준은 외국으로 부터 비공식적으로 입수

한 부분적인 자료과 기업내에서 임의로 가정한 기준이나 기술제휴사에 전적으로 의

존하고 있는 상태이나 외국으로 부터 도입된 시험기준은 국내 농업 환경에는 적합

하지 않다

따라서 국내 농업기계 산업은 설계에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인

평가 구조를 이루지 못한 상태여서 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계기술

및 해외시장 확보를 위해서는 자체적으로 작성한 시험기준의 확립이 매우 시급한

상태이다

시험기준의 확립을 위해서는 실제의 다양한 포장에서 트랙터에 작용하는 기계적 특

성 토오크 응력 등과 이때의 토양물성을 계측하고 화 한다 또한 계측( ) DATA BASE

한 를 통계적으로 분석하여 기계재료에 대한 피로파괴이론을 적용하고 최종적DATA

으로 시험기준 및 설계기준을 작성하게 된다

이러한 시험기준을 확립함으로써 일차적으로 외국에 지급하는 기술료의 절감은 물

론 근본적인 독자 설계기술을 확립함으로써 외국의 기술종속을 탈피하는 중요한 전

환점이 될 수 있으며 중장기적으로는 제품의 질을 높이고 다양화하여 수입대체 및

수출증대효과에 크게 일조 할 것으로 기대된다

- 8 -

본 연구보고는 한국형 의 설계및 시험기준개발에 관한 차년도 연구보고TRACTOR 1

내용으로 부하계측 전용 개발 및 계측 개발 토양물성TRACTOR SYSTEM DATA

를 위한 토양변수 선정 및 토양물성 측정장치 개발에 대한 내용이다BASE

- 9 -

제 절 연구 필요성2

한국 농업기계의 수준이 선진국에 비해 가장 뒤떨어진 부분은 시험 및 설계 기준이

다 유럽 및 미국의 경우 대형 의 자체 설계 능력을 오래 전에 확보 TRACTOR TM

했고 일본의 경우 소형 위주의 자체 기술력 확보로 미국 시장 수출에 주력하고 있

다 외국의 경우 설계단계부터 를 이용하여 상에서 품질확인 3D-CAD COMPUTER

및 오류방지 개념이 년전 부터 도입되고 있다 기술축적 측면에서 단기적(CE) 3 ~ 4

이론 적용이 불가능한 기계공업은 특히 많은 경험과 시간이 필요하고 그것이 바로

후발업체 한국 의 기술 수준을 묶고 있는 큰 원인이기도 하다 농업기계의 역사가( )

짧은 우리 기술수준에서 의 시장 개방이 이루어질 경우 기술수준 확보여부에WTO

농업기계의 사활이 걸려 있다고 하겠다 특히 는 의 험로에서 TRACTOR OFF-LOAD

작동함으로써 부하의 변화가 심하고 작업시 고 토크가 수반된다는 관점에서 동력

전달 계통상의 설계능력 및 실작업 중심의 시험기준이 특히 요구된다 설계시 필수

적인 를 검증하기 위해서는 성능시험 내구시험 및 구조시험 진동 응REAL DATA (

력 등을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 이 같이 기계 공업 기술은 시험을)

통해 집성화 될 수 있을 만큼 개발단계에서 시험의 비중이 크기 때문에 국가별 또

는 기업별 기밀로 취급되고 있는 것이 당연하다 현재 국내 농업기계 산업은 설계

에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인 평가 구조를 이루지 못한 상태이므

로 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계 기술 및 시장개방 이후 경쟁력 우위

를 확보하기 위해서는 자체적인 시험 기준 확립이 매우 시급한 상태이다

- 10 -

제 절 연구목표3

한국의 토양및 작업조건에 적합한 의 개발을 위한 설계 및 시험 기준 확TRACTOR

립을 최종목표로 부하 계측 전용 를 제작하고 각부위의 토오크를 계측한TRACTOR

다 계측된 의 엄격한 통계분석을 통해 의 기구학적 역학적 특성을 DATA TRACTOR ㆍ

분석하고 우리나라의 대표적인 토양타입 분류와 부하로서 작동하는 토양 FACTOR

를 기준으로 토양물성 측정장치의 수 많은 실험을 통해 수집된 토양 물리성을

화 하여 상호 연관성을 분석한다 이상의 부하계측 토양물성DATA BASE DATA

를 통해 피로 이론을 적용하여 파괴수명을 예측할 수 있는 여러 가지 인자에DATA

대한 정보를 확보한다 기법으로 손상 누적에 의한 피로 수명 예측 S-N

을 완성하여 한국형 의 시험 기준을 확립한다 이상의 목표 과PROGRAM TRACTOR

제를 해결하기 위해 다음과 같은 항목으로 구분 연구한다

부하계측장치 개발- TRACTOR

계측기술 개발 및 계측 의 통계적 분석- DATA

토양 물성 개발- DATA BASE

피로이론을 적용한 수명예측 개발- PROGRAM

마력급별 시험기준 완성-

- 11 -

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개발 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발등이 그것인데 이를TM TM

위해서는 의 운전조건 및 작업조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR PTO

축등 주요 동력전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정된 측

정값은 토양 물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부하량FACTOR

으로 가치가 있는 것이다 본 과제에서는 연구 차년도로 역학적 특성 1 TRACTOR

해석을 바탕으로 부하 계측용 및 취득장치를 개발하고 한국형SENSOR DATA

의 시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정TRACTOR

을 구축한다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 불성 를SYSTEM TRACTOR DATA

확보하기 위해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정장치를 개

발하고 지역별 토양 특성을 수집하여 화 함으로서 한국형DATA BASE TRACTOR

설계 및 시험기준 개발을 위한 기반을 구축 하고자 한다

- 12 -

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

우리나라의 농작업은 주로 동력경운기에 의하여 행하여져 왔으나 최근에 이르러는

조작이 쉽고 능률이 높은 트랙터의 사용이 증가되고 있다 트랙터의 농업작업은 부

하 변동이 심하고 작업의 종류와 작물 및 토양조건에 따라 영향을 받는다 따라서

한국 실정에 맞는 토양 및 작업조건에 적합한 트랙터 개발을 위해서는 실작업시 트

랙터 각 부위에 미치는 동적 특성을 검출하여 트랙터 작업 성능을 정확하게 평가함

이 무엇보다 중요하다

년 이전에는 트랙터의 성능을 예측하기 위하여 각 부위의 동적특성1980 (dynamic

을 측정하는데 아날로그 신호를 오실로스코프 나 마property) (analog) (oscilloscope)

그네틱 테이프 레코더에 기록하여 분석하는 데이터 수집장치였다 이 방법은 측정

상 많은 번거러움과 노력이 요구되며 측정자료의 신뢰성에 문제가 있었다

최근의 전기 전자산업의 발달로 인하여 이러한 문제점을 보완하기 위하여 마이크ㆍ

로 컴퓨터를 이용한 디지털 방법에 의한 자료 수집 및 분석시스템의 개발을(digital)

위한 연구가 계속되고 있다

- 13 -

제 절 연구목표2

트랙터의 기구학적 역학적 특성을 해석하고 트랙터에 작용하는 각종 부하의 크기ㆍ

와 형태를 분석하여 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준 선정에 필요한 측정 요인

각종 요인들을 감지할 수 있는 측정지점 및 계측방법을 결정한다 트랙터의 운전조

건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는 토크 축에 작( PTO ) PTO

용하는 토크 및 회전속도를 측정할 수 있는 트랙터 부하 측정시스템을 개발한다

가장 합리적인 방법으로 계측할 수 있는 센서기술 및 계측방법을 고안하고 자료수

집 프로그램을 개발함은 물론 작업 포장 및 실험실에서 부하 측정시스템의 검증실

험을 수행한다 또한 측정된 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 분석 등을 FFT PSD

이용한 통계적 분석기법 및 해석 프로그램을 개발한다

포장작업중에 트랙터의 운전조건 및 각 차축에 작용하는 토크 등을 측정할 수 있는

센서 및 계측기술을 개발한다 센서의 작동원리를 분석하고 각 센서의 감도를 설정

하여 트랙터에 장착한다

엔진 연료소비율 전후륜의 회전속도 전륜 및 후륜의 좌우측 차축토크RPM PTO

축의 토크 및 회전속도 등의 계측에 필요한 센서 및 계측기술을 개발한다 이미 알

고 있는 입력에 대한 센서의 출력을 분석하여 센서의 감도를 설정하고 신뢰도를 검

증하다

따라서 본 연구의 목적은 트랙터의 포장작업성능을 정확하고 능률적으로 평가할

수 있는 계측장치 자료수집장치와 분석방법을 개발한다

따라서 본 연구의 연구목표는 다음과 같다

트랙터의 운전조건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는1 ( PTO )

토크 스피드등 측정센서 및 계측기술을 개발한다

각각의 측정신호를 수집할 수 있는 자료수집 장치와 프로그램을 개발한다2

계측된 자료의 통계적 분석기법을 개발한다3

- 14 -

제 절 연구사3

년대 이전에는 정지상태에서의 농업기계의 성능시험을 해 왔었으나 최근에는1980

포장작업 성능실험에서 디지탈 마이크로 컴퓨터를 이용하여 측정자료를 수집할 수

있는 자료수집시스템 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있(data acquisition system)

다

등Grevis- James (16)은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 트랙터의 성능평가의AIM-65

기초자료의 견인력 주행속도 및 슬립 연료소모량 엔진의 회전속도를 마크네틱테

이프레코더 에 수집할 수 있는 자료수집 시스템을 개발하(magnetic tape recorder)

였다

최(16)는 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하였는데(one board)

단일보드 시스템을 인공토조에 부착하기 전에 실험실에서 수행하였으며 검력계의

측정감도 시험결과 각 방향의 힘에 대한 스트레인은 좋은 직진성을 보여주었다 원

판형 구절기 의 작업효율 평가에 필요한 자료를 정확하고 효율적으로 측정(coulter)

하기 위하여 마이크로 컴퓨터와 어셈블러 언어를 이용한 자료 수집장치AMI-65

를 개발하였다(data acquisition system)

등Hendrick (20)은 형의 마이크로컴퓨터를 이용하여 견인 및Intel 8030 single board

경운작업기의 성능평가자료의 분석결과만을 에 기억시켜 수집하는 포장형 측정RAM

시스템을 개발하였다

등Reynolds (21)은 트랙터의 포장성능을 평가하기 위한 데이터를 일단 에 저장하RAM

여 수집하는 수집형컴퓨터와 이것을 다시 케이블을 통해 받은 신호를 처리RS-232

하여 플로피 디스크에 기억시키게 하는 처리 저장용 프로그램을 갖고 있는 컴퓨터

로 구성된 자료수집 시스템을 개발하였다

등Chung (13)은 마이크로 컴퓨터를 이용한 트랙터의 포장 성능평가의 기초AMI-65

자료인 엔진의 회전속도 슬립 주행속도 견인력 연료소모량 구동토오크 등을 측

정하고 엔진의 회전속도 주행속도 등을 실험시작전에 모니터에 표시하여 적정 실

험상태를 판정한 후에 데이터를 수집하고 마그네틱테이프에 기록시킬 수 있는 시

스템을 개발하였다

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 8 -

본 연구보고는 한국형 의 설계및 시험기준개발에 관한 차년도 연구보고TRACTOR 1

내용으로 부하계측 전용 개발 및 계측 개발 토양물성TRACTOR SYSTEM DATA

를 위한 토양변수 선정 및 토양물성 측정장치 개발에 대한 내용이다BASE

- 9 -

제 절 연구 필요성2

한국 농업기계의 수준이 선진국에 비해 가장 뒤떨어진 부분은 시험 및 설계 기준이

다 유럽 및 미국의 경우 대형 의 자체 설계 능력을 오래 전에 확보 TRACTOR TM

했고 일본의 경우 소형 위주의 자체 기술력 확보로 미국 시장 수출에 주력하고 있

다 외국의 경우 설계단계부터 를 이용하여 상에서 품질확인 3D-CAD COMPUTER

및 오류방지 개념이 년전 부터 도입되고 있다 기술축적 측면에서 단기적(CE) 3 ~ 4

이론 적용이 불가능한 기계공업은 특히 많은 경험과 시간이 필요하고 그것이 바로

후발업체 한국 의 기술 수준을 묶고 있는 큰 원인이기도 하다 농업기계의 역사가( )

짧은 우리 기술수준에서 의 시장 개방이 이루어질 경우 기술수준 확보여부에WTO

농업기계의 사활이 걸려 있다고 하겠다 특히 는 의 험로에서 TRACTOR OFF-LOAD

작동함으로써 부하의 변화가 심하고 작업시 고 토크가 수반된다는 관점에서 동력

전달 계통상의 설계능력 및 실작업 중심의 시험기준이 특히 요구된다 설계시 필수

적인 를 검증하기 위해서는 성능시험 내구시험 및 구조시험 진동 응REAL DATA (

력 등을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 이 같이 기계 공업 기술은 시험을)

통해 집성화 될 수 있을 만큼 개발단계에서 시험의 비중이 크기 때문에 국가별 또

는 기업별 기밀로 취급되고 있는 것이 당연하다 현재 국내 농업기계 산업은 설계

에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인 평가 구조를 이루지 못한 상태이므

로 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계 기술 및 시장개방 이후 경쟁력 우위

를 확보하기 위해서는 자체적인 시험 기준 확립이 매우 시급한 상태이다

- 10 -

제 절 연구목표3

한국의 토양및 작업조건에 적합한 의 개발을 위한 설계 및 시험 기준 확TRACTOR

립을 최종목표로 부하 계측 전용 를 제작하고 각부위의 토오크를 계측한TRACTOR

다 계측된 의 엄격한 통계분석을 통해 의 기구학적 역학적 특성을 DATA TRACTOR ㆍ

분석하고 우리나라의 대표적인 토양타입 분류와 부하로서 작동하는 토양 FACTOR

를 기준으로 토양물성 측정장치의 수 많은 실험을 통해 수집된 토양 물리성을

화 하여 상호 연관성을 분석한다 이상의 부하계측 토양물성DATA BASE DATA

를 통해 피로 이론을 적용하여 파괴수명을 예측할 수 있는 여러 가지 인자에DATA

대한 정보를 확보한다 기법으로 손상 누적에 의한 피로 수명 예측 S-N

을 완성하여 한국형 의 시험 기준을 확립한다 이상의 목표 과PROGRAM TRACTOR

제를 해결하기 위해 다음과 같은 항목으로 구분 연구한다

부하계측장치 개발- TRACTOR

계측기술 개발 및 계측 의 통계적 분석- DATA

토양 물성 개발- DATA BASE

피로이론을 적용한 수명예측 개발- PROGRAM

마력급별 시험기준 완성-

- 11 -

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개발 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발등이 그것인데 이를TM TM

위해서는 의 운전조건 및 작업조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR PTO

축등 주요 동력전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정된 측

정값은 토양 물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부하량FACTOR

으로 가치가 있는 것이다 본 과제에서는 연구 차년도로 역학적 특성 1 TRACTOR

해석을 바탕으로 부하 계측용 및 취득장치를 개발하고 한국형SENSOR DATA

의 시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정TRACTOR

을 구축한다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 불성 를SYSTEM TRACTOR DATA

확보하기 위해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정장치를 개

발하고 지역별 토양 특성을 수집하여 화 함으로서 한국형DATA BASE TRACTOR

설계 및 시험기준 개발을 위한 기반을 구축 하고자 한다

- 12 -

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

우리나라의 농작업은 주로 동력경운기에 의하여 행하여져 왔으나 최근에 이르러는

조작이 쉽고 능률이 높은 트랙터의 사용이 증가되고 있다 트랙터의 농업작업은 부

하 변동이 심하고 작업의 종류와 작물 및 토양조건에 따라 영향을 받는다 따라서

한국 실정에 맞는 토양 및 작업조건에 적합한 트랙터 개발을 위해서는 실작업시 트

랙터 각 부위에 미치는 동적 특성을 검출하여 트랙터 작업 성능을 정확하게 평가함

이 무엇보다 중요하다

년 이전에는 트랙터의 성능을 예측하기 위하여 각 부위의 동적특성1980 (dynamic

을 측정하는데 아날로그 신호를 오실로스코프 나 마property) (analog) (oscilloscope)

그네틱 테이프 레코더에 기록하여 분석하는 데이터 수집장치였다 이 방법은 측정

상 많은 번거러움과 노력이 요구되며 측정자료의 신뢰성에 문제가 있었다

최근의 전기 전자산업의 발달로 인하여 이러한 문제점을 보완하기 위하여 마이크ㆍ

로 컴퓨터를 이용한 디지털 방법에 의한 자료 수집 및 분석시스템의 개발을(digital)

위한 연구가 계속되고 있다

- 13 -

제 절 연구목표2

트랙터의 기구학적 역학적 특성을 해석하고 트랙터에 작용하는 각종 부하의 크기ㆍ

와 형태를 분석하여 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준 선정에 필요한 측정 요인

각종 요인들을 감지할 수 있는 측정지점 및 계측방법을 결정한다 트랙터의 운전조

건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는 토크 축에 작( PTO ) PTO

용하는 토크 및 회전속도를 측정할 수 있는 트랙터 부하 측정시스템을 개발한다

가장 합리적인 방법으로 계측할 수 있는 센서기술 및 계측방법을 고안하고 자료수

집 프로그램을 개발함은 물론 작업 포장 및 실험실에서 부하 측정시스템의 검증실

험을 수행한다 또한 측정된 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 분석 등을 FFT PSD

이용한 통계적 분석기법 및 해석 프로그램을 개발한다

포장작업중에 트랙터의 운전조건 및 각 차축에 작용하는 토크 등을 측정할 수 있는

센서 및 계측기술을 개발한다 센서의 작동원리를 분석하고 각 센서의 감도를 설정

하여 트랙터에 장착한다

엔진 연료소비율 전후륜의 회전속도 전륜 및 후륜의 좌우측 차축토크RPM PTO

축의 토크 및 회전속도 등의 계측에 필요한 센서 및 계측기술을 개발한다 이미 알

고 있는 입력에 대한 센서의 출력을 분석하여 센서의 감도를 설정하고 신뢰도를 검

증하다

따라서 본 연구의 목적은 트랙터의 포장작업성능을 정확하고 능률적으로 평가할

수 있는 계측장치 자료수집장치와 분석방법을 개발한다

따라서 본 연구의 연구목표는 다음과 같다

트랙터의 운전조건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는1 ( PTO )

토크 스피드등 측정센서 및 계측기술을 개발한다

각각의 측정신호를 수집할 수 있는 자료수집 장치와 프로그램을 개발한다2

계측된 자료의 통계적 분석기법을 개발한다3

- 14 -

제 절 연구사3

년대 이전에는 정지상태에서의 농업기계의 성능시험을 해 왔었으나 최근에는1980

포장작업 성능실험에서 디지탈 마이크로 컴퓨터를 이용하여 측정자료를 수집할 수

있는 자료수집시스템 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있(data acquisition system)

다

등Grevis- James (16)은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 트랙터의 성능평가의AIM-65

기초자료의 견인력 주행속도 및 슬립 연료소모량 엔진의 회전속도를 마크네틱테

이프레코더 에 수집할 수 있는 자료수집 시스템을 개발하(magnetic tape recorder)

였다

최(16)는 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하였는데(one board)

단일보드 시스템을 인공토조에 부착하기 전에 실험실에서 수행하였으며 검력계의

측정감도 시험결과 각 방향의 힘에 대한 스트레인은 좋은 직진성을 보여주었다 원

판형 구절기 의 작업효율 평가에 필요한 자료를 정확하고 효율적으로 측정(coulter)

하기 위하여 마이크로 컴퓨터와 어셈블러 언어를 이용한 자료 수집장치AMI-65

를 개발하였다(data acquisition system)

등Hendrick (20)은 형의 마이크로컴퓨터를 이용하여 견인 및Intel 8030 single board

경운작업기의 성능평가자료의 분석결과만을 에 기억시켜 수집하는 포장형 측정RAM

시스템을 개발하였다

등Reynolds (21)은 트랙터의 포장성능을 평가하기 위한 데이터를 일단 에 저장하RAM

여 수집하는 수집형컴퓨터와 이것을 다시 케이블을 통해 받은 신호를 처리RS-232

하여 플로피 디스크에 기억시키게 하는 처리 저장용 프로그램을 갖고 있는 컴퓨터

로 구성된 자료수집 시스템을 개발하였다

등Chung (13)은 마이크로 컴퓨터를 이용한 트랙터의 포장 성능평가의 기초AMI-65

자료인 엔진의 회전속도 슬립 주행속도 견인력 연료소모량 구동토오크 등을 측

정하고 엔진의 회전속도 주행속도 등을 실험시작전에 모니터에 표시하여 적정 실

험상태를 판정한 후에 데이터를 수집하고 마그네틱테이프에 기록시킬 수 있는 시

스템을 개발하였다

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 9 -

제 절 연구 필요성2

한국 농업기계의 수준이 선진국에 비해 가장 뒤떨어진 부분은 시험 및 설계 기준이

다 유럽 및 미국의 경우 대형 의 자체 설계 능력을 오래 전에 확보 TRACTOR TM

했고 일본의 경우 소형 위주의 자체 기술력 확보로 미국 시장 수출에 주력하고 있

다 외국의 경우 설계단계부터 를 이용하여 상에서 품질확인 3D-CAD COMPUTER

및 오류방지 개념이 년전 부터 도입되고 있다 기술축적 측면에서 단기적(CE) 3 ~ 4

이론 적용이 불가능한 기계공업은 특히 많은 경험과 시간이 필요하고 그것이 바로

후발업체 한국 의 기술 수준을 묶고 있는 큰 원인이기도 하다 농업기계의 역사가( )

짧은 우리 기술수준에서 의 시장 개방이 이루어질 경우 기술수준 확보여부에WTO

농업기계의 사활이 걸려 있다고 하겠다 특히 는 의 험로에서 TRACTOR OFF-LOAD

작동함으로써 부하의 변화가 심하고 작업시 고 토크가 수반된다는 관점에서 동력

전달 계통상의 설계능력 및 실작업 중심의 시험기준이 특히 요구된다 설계시 필수

적인 를 검증하기 위해서는 성능시험 내구시험 및 구조시험 진동 응REAL DATA (

력 등을 수행하기 위한 시험기준이 필수적이다 이 같이 기계 공업 기술은 시험을)

통해 집성화 될 수 있을 만큼 개발단계에서 시험의 비중이 크기 때문에 국가별 또

는 기업별 기밀로 취급되고 있는 것이 당연하다 현재 국내 농업기계 산업은 설계

에서 부터 시험에 이르는 종합적이고 체계적인 평가 구조를 이루지 못한 상태이므

로 트랙터를 포함한 농업기계의 독자적인 설계 기술 및 시장개방 이후 경쟁력 우위

를 확보하기 위해서는 자체적인 시험 기준 확립이 매우 시급한 상태이다

- 10 -

제 절 연구목표3

한국의 토양및 작업조건에 적합한 의 개발을 위한 설계 및 시험 기준 확TRACTOR

립을 최종목표로 부하 계측 전용 를 제작하고 각부위의 토오크를 계측한TRACTOR

다 계측된 의 엄격한 통계분석을 통해 의 기구학적 역학적 특성을 DATA TRACTOR ㆍ

분석하고 우리나라의 대표적인 토양타입 분류와 부하로서 작동하는 토양 FACTOR

를 기준으로 토양물성 측정장치의 수 많은 실험을 통해 수집된 토양 물리성을

화 하여 상호 연관성을 분석한다 이상의 부하계측 토양물성DATA BASE DATA

를 통해 피로 이론을 적용하여 파괴수명을 예측할 수 있는 여러 가지 인자에DATA

대한 정보를 확보한다 기법으로 손상 누적에 의한 피로 수명 예측 S-N

을 완성하여 한국형 의 시험 기준을 확립한다 이상의 목표 과PROGRAM TRACTOR

제를 해결하기 위해 다음과 같은 항목으로 구분 연구한다

부하계측장치 개발- TRACTOR

계측기술 개발 및 계측 의 통계적 분석- DATA

토양 물성 개발- DATA BASE

피로이론을 적용한 수명예측 개발- PROGRAM

마력급별 시험기준 완성-

- 11 -

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개발 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발등이 그것인데 이를TM TM

위해서는 의 운전조건 및 작업조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR PTO

축등 주요 동력전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정된 측

정값은 토양 물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부하량FACTOR

으로 가치가 있는 것이다 본 과제에서는 연구 차년도로 역학적 특성 1 TRACTOR

해석을 바탕으로 부하 계측용 및 취득장치를 개발하고 한국형SENSOR DATA

의 시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정TRACTOR

을 구축한다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 불성 를SYSTEM TRACTOR DATA

확보하기 위해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정장치를 개

발하고 지역별 토양 특성을 수집하여 화 함으로서 한국형DATA BASE TRACTOR

설계 및 시험기준 개발을 위한 기반을 구축 하고자 한다

- 12 -

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

우리나라의 농작업은 주로 동력경운기에 의하여 행하여져 왔으나 최근에 이르러는

조작이 쉽고 능률이 높은 트랙터의 사용이 증가되고 있다 트랙터의 농업작업은 부

하 변동이 심하고 작업의 종류와 작물 및 토양조건에 따라 영향을 받는다 따라서

한국 실정에 맞는 토양 및 작업조건에 적합한 트랙터 개발을 위해서는 실작업시 트

랙터 각 부위에 미치는 동적 특성을 검출하여 트랙터 작업 성능을 정확하게 평가함

이 무엇보다 중요하다

년 이전에는 트랙터의 성능을 예측하기 위하여 각 부위의 동적특성1980 (dynamic

을 측정하는데 아날로그 신호를 오실로스코프 나 마property) (analog) (oscilloscope)

그네틱 테이프 레코더에 기록하여 분석하는 데이터 수집장치였다 이 방법은 측정

상 많은 번거러움과 노력이 요구되며 측정자료의 신뢰성에 문제가 있었다

최근의 전기 전자산업의 발달로 인하여 이러한 문제점을 보완하기 위하여 마이크ㆍ

로 컴퓨터를 이용한 디지털 방법에 의한 자료 수집 및 분석시스템의 개발을(digital)

위한 연구가 계속되고 있다

- 13 -

제 절 연구목표2

트랙터의 기구학적 역학적 특성을 해석하고 트랙터에 작용하는 각종 부하의 크기ㆍ

와 형태를 분석하여 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준 선정에 필요한 측정 요인

각종 요인들을 감지할 수 있는 측정지점 및 계측방법을 결정한다 트랙터의 운전조

건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는 토크 축에 작( PTO ) PTO

용하는 토크 및 회전속도를 측정할 수 있는 트랙터 부하 측정시스템을 개발한다

가장 합리적인 방법으로 계측할 수 있는 센서기술 및 계측방법을 고안하고 자료수

집 프로그램을 개발함은 물론 작업 포장 및 실험실에서 부하 측정시스템의 검증실

험을 수행한다 또한 측정된 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 분석 등을 FFT PSD

이용한 통계적 분석기법 및 해석 프로그램을 개발한다

포장작업중에 트랙터의 운전조건 및 각 차축에 작용하는 토크 등을 측정할 수 있는

센서 및 계측기술을 개발한다 센서의 작동원리를 분석하고 각 센서의 감도를 설정

하여 트랙터에 장착한다

엔진 연료소비율 전후륜의 회전속도 전륜 및 후륜의 좌우측 차축토크RPM PTO

축의 토크 및 회전속도 등의 계측에 필요한 센서 및 계측기술을 개발한다 이미 알

고 있는 입력에 대한 센서의 출력을 분석하여 센서의 감도를 설정하고 신뢰도를 검

증하다

따라서 본 연구의 목적은 트랙터의 포장작업성능을 정확하고 능률적으로 평가할

수 있는 계측장치 자료수집장치와 분석방법을 개발한다

따라서 본 연구의 연구목표는 다음과 같다

트랙터의 운전조건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는1 ( PTO )

토크 스피드등 측정센서 및 계측기술을 개발한다

각각의 측정신호를 수집할 수 있는 자료수집 장치와 프로그램을 개발한다2

계측된 자료의 통계적 분석기법을 개발한다3

- 14 -

제 절 연구사3

년대 이전에는 정지상태에서의 농업기계의 성능시험을 해 왔었으나 최근에는1980

포장작업 성능실험에서 디지탈 마이크로 컴퓨터를 이용하여 측정자료를 수집할 수

있는 자료수집시스템 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있(data acquisition system)

다

등Grevis- James (16)은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 트랙터의 성능평가의AIM-65

기초자료의 견인력 주행속도 및 슬립 연료소모량 엔진의 회전속도를 마크네틱테

이프레코더 에 수집할 수 있는 자료수집 시스템을 개발하(magnetic tape recorder)

였다

최(16)는 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하였는데(one board)

단일보드 시스템을 인공토조에 부착하기 전에 실험실에서 수행하였으며 검력계의

측정감도 시험결과 각 방향의 힘에 대한 스트레인은 좋은 직진성을 보여주었다 원

판형 구절기 의 작업효율 평가에 필요한 자료를 정확하고 효율적으로 측정(coulter)

하기 위하여 마이크로 컴퓨터와 어셈블러 언어를 이용한 자료 수집장치AMI-65

를 개발하였다(data acquisition system)

등Hendrick (20)은 형의 마이크로컴퓨터를 이용하여 견인 및Intel 8030 single board

경운작업기의 성능평가자료의 분석결과만을 에 기억시켜 수집하는 포장형 측정RAM

시스템을 개발하였다

등Reynolds (21)은 트랙터의 포장성능을 평가하기 위한 데이터를 일단 에 저장하RAM

여 수집하는 수집형컴퓨터와 이것을 다시 케이블을 통해 받은 신호를 처리RS-232

하여 플로피 디스크에 기억시키게 하는 처리 저장용 프로그램을 갖고 있는 컴퓨터

로 구성된 자료수집 시스템을 개발하였다

등Chung (13)은 마이크로 컴퓨터를 이용한 트랙터의 포장 성능평가의 기초AMI-65

자료인 엔진의 회전속도 슬립 주행속도 견인력 연료소모량 구동토오크 등을 측

정하고 엔진의 회전속도 주행속도 등을 실험시작전에 모니터에 표시하여 적정 실

험상태를 판정한 후에 데이터를 수집하고 마그네틱테이프에 기록시킬 수 있는 시

스템을 개발하였다

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 10 -

제 절 연구목표3

한국의 토양및 작업조건에 적합한 의 개발을 위한 설계 및 시험 기준 확TRACTOR

립을 최종목표로 부하 계측 전용 를 제작하고 각부위의 토오크를 계측한TRACTOR

다 계측된 의 엄격한 통계분석을 통해 의 기구학적 역학적 특성을 DATA TRACTOR ㆍ

분석하고 우리나라의 대표적인 토양타입 분류와 부하로서 작동하는 토양 FACTOR

를 기준으로 토양물성 측정장치의 수 많은 실험을 통해 수집된 토양 물리성을

화 하여 상호 연관성을 분석한다 이상의 부하계측 토양물성DATA BASE DATA

를 통해 피로 이론을 적용하여 파괴수명을 예측할 수 있는 여러 가지 인자에DATA

대한 정보를 확보한다 기법으로 손상 누적에 의한 피로 수명 예측 S-N

을 완성하여 한국형 의 시험 기준을 확립한다 이상의 목표 과PROGRAM TRACTOR

제를 해결하기 위해 다음과 같은 항목으로 구분 연구한다

부하계측장치 개발- TRACTOR

계측기술 개발 및 계측 의 통계적 분석- DATA

토양 물성 개발- DATA BASE

피로이론을 적용한 수명예측 개발- PROGRAM

마력급별 시험기준 완성-

- 11 -

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개발 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발등이 그것인데 이를TM TM

위해서는 의 운전조건 및 작업조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR PTO

축등 주요 동력전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정된 측

정값은 토양 물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부하량FACTOR

으로 가치가 있는 것이다 본 과제에서는 연구 차년도로 역학적 특성 1 TRACTOR

해석을 바탕으로 부하 계측용 및 취득장치를 개발하고 한국형SENSOR DATA

의 시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정TRACTOR

을 구축한다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 불성 를SYSTEM TRACTOR DATA

확보하기 위해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정장치를 개

발하고 지역별 토양 특성을 수집하여 화 함으로서 한국형DATA BASE TRACTOR

설계 및 시험기준 개발을 위한 기반을 구축 하고자 한다

- 12 -

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

우리나라의 농작업은 주로 동력경운기에 의하여 행하여져 왔으나 최근에 이르러는

조작이 쉽고 능률이 높은 트랙터의 사용이 증가되고 있다 트랙터의 농업작업은 부

하 변동이 심하고 작업의 종류와 작물 및 토양조건에 따라 영향을 받는다 따라서

한국 실정에 맞는 토양 및 작업조건에 적합한 트랙터 개발을 위해서는 실작업시 트

랙터 각 부위에 미치는 동적 특성을 검출하여 트랙터 작업 성능을 정확하게 평가함

이 무엇보다 중요하다

년 이전에는 트랙터의 성능을 예측하기 위하여 각 부위의 동적특성1980 (dynamic

을 측정하는데 아날로그 신호를 오실로스코프 나 마property) (analog) (oscilloscope)

그네틱 테이프 레코더에 기록하여 분석하는 데이터 수집장치였다 이 방법은 측정

상 많은 번거러움과 노력이 요구되며 측정자료의 신뢰성에 문제가 있었다

최근의 전기 전자산업의 발달로 인하여 이러한 문제점을 보완하기 위하여 마이크ㆍ

로 컴퓨터를 이용한 디지털 방법에 의한 자료 수집 및 분석시스템의 개발을(digital)

위한 연구가 계속되고 있다

- 13 -

제 절 연구목표2

트랙터의 기구학적 역학적 특성을 해석하고 트랙터에 작용하는 각종 부하의 크기ㆍ

와 형태를 분석하여 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준 선정에 필요한 측정 요인

각종 요인들을 감지할 수 있는 측정지점 및 계측방법을 결정한다 트랙터의 운전조

건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는 토크 축에 작( PTO ) PTO

용하는 토크 및 회전속도를 측정할 수 있는 트랙터 부하 측정시스템을 개발한다

가장 합리적인 방법으로 계측할 수 있는 센서기술 및 계측방법을 고안하고 자료수

집 프로그램을 개발함은 물론 작업 포장 및 실험실에서 부하 측정시스템의 검증실

험을 수행한다 또한 측정된 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 분석 등을 FFT PSD

이용한 통계적 분석기법 및 해석 프로그램을 개발한다

포장작업중에 트랙터의 운전조건 및 각 차축에 작용하는 토크 등을 측정할 수 있는

센서 및 계측기술을 개발한다 센서의 작동원리를 분석하고 각 센서의 감도를 설정

하여 트랙터에 장착한다

엔진 연료소비율 전후륜의 회전속도 전륜 및 후륜의 좌우측 차축토크RPM PTO

축의 토크 및 회전속도 등의 계측에 필요한 센서 및 계측기술을 개발한다 이미 알

고 있는 입력에 대한 센서의 출력을 분석하여 센서의 감도를 설정하고 신뢰도를 검

증하다

따라서 본 연구의 목적은 트랙터의 포장작업성능을 정확하고 능률적으로 평가할

수 있는 계측장치 자료수집장치와 분석방법을 개발한다

따라서 본 연구의 연구목표는 다음과 같다

트랙터의 운전조건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는1 ( PTO )

토크 스피드등 측정센서 및 계측기술을 개발한다

각각의 측정신호를 수집할 수 있는 자료수집 장치와 프로그램을 개발한다2

계측된 자료의 통계적 분석기법을 개발한다3

- 14 -

제 절 연구사3

년대 이전에는 정지상태에서의 농업기계의 성능시험을 해 왔었으나 최근에는1980

포장작업 성능실험에서 디지탈 마이크로 컴퓨터를 이용하여 측정자료를 수집할 수

있는 자료수집시스템 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있(data acquisition system)

다

등Grevis- James (16)은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 트랙터의 성능평가의AIM-65

기초자료의 견인력 주행속도 및 슬립 연료소모량 엔진의 회전속도를 마크네틱테

이프레코더 에 수집할 수 있는 자료수집 시스템을 개발하(magnetic tape recorder)

였다

최(16)는 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하였는데(one board)

단일보드 시스템을 인공토조에 부착하기 전에 실험실에서 수행하였으며 검력계의

측정감도 시험결과 각 방향의 힘에 대한 스트레인은 좋은 직진성을 보여주었다 원

판형 구절기 의 작업효율 평가에 필요한 자료를 정확하고 효율적으로 측정(coulter)

하기 위하여 마이크로 컴퓨터와 어셈블러 언어를 이용한 자료 수집장치AMI-65

를 개발하였다(data acquisition system)

등Hendrick (20)은 형의 마이크로컴퓨터를 이용하여 견인 및Intel 8030 single board

경운작업기의 성능평가자료의 분석결과만을 에 기억시켜 수집하는 포장형 측정RAM

시스템을 개발하였다

등Reynolds (21)은 트랙터의 포장성능을 평가하기 위한 데이터를 일단 에 저장하RAM

여 수집하는 수집형컴퓨터와 이것을 다시 케이블을 통해 받은 신호를 처리RS-232

하여 플로피 디스크에 기억시키게 하는 처리 저장용 프로그램을 갖고 있는 컴퓨터

로 구성된 자료수집 시스템을 개발하였다

등Chung (13)은 마이크로 컴퓨터를 이용한 트랙터의 포장 성능평가의 기초AMI-65

자료인 엔진의 회전속도 슬립 주행속도 견인력 연료소모량 구동토오크 등을 측

정하고 엔진의 회전속도 주행속도 등을 실험시작전에 모니터에 표시하여 적정 실

험상태를 판정한 후에 데이터를 수집하고 마그네틱테이프에 기록시킬 수 있는 시

스템을 개발하였다

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 11 -

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개발 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발등이 그것인데 이를TM TM

위해서는 의 운전조건 및 작업조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR PTO

축등 주요 동력전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정된 측

정값은 토양 물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부하량FACTOR

으로 가치가 있는 것이다 본 과제에서는 연구 차년도로 역학적 특성 1 TRACTOR

해석을 바탕으로 부하 계측용 및 취득장치를 개발하고 한국형SENSOR DATA

의 시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정TRACTOR

을 구축한다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 불성 를SYSTEM TRACTOR DATA

확보하기 위해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정장치를 개

발하고 지역별 토양 특성을 수집하여 화 함으로서 한국형DATA BASE TRACTOR

설계 및 시험기준 개발을 위한 기반을 구축 하고자 한다

- 12 -

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

우리나라의 농작업은 주로 동력경운기에 의하여 행하여져 왔으나 최근에 이르러는

조작이 쉽고 능률이 높은 트랙터의 사용이 증가되고 있다 트랙터의 농업작업은 부

하 변동이 심하고 작업의 종류와 작물 및 토양조건에 따라 영향을 받는다 따라서

한국 실정에 맞는 토양 및 작업조건에 적합한 트랙터 개발을 위해서는 실작업시 트

랙터 각 부위에 미치는 동적 특성을 검출하여 트랙터 작업 성능을 정확하게 평가함

이 무엇보다 중요하다

년 이전에는 트랙터의 성능을 예측하기 위하여 각 부위의 동적특성1980 (dynamic

을 측정하는데 아날로그 신호를 오실로스코프 나 마property) (analog) (oscilloscope)

그네틱 테이프 레코더에 기록하여 분석하는 데이터 수집장치였다 이 방법은 측정

상 많은 번거러움과 노력이 요구되며 측정자료의 신뢰성에 문제가 있었다

최근의 전기 전자산업의 발달로 인하여 이러한 문제점을 보완하기 위하여 마이크ㆍ

로 컴퓨터를 이용한 디지털 방법에 의한 자료 수집 및 분석시스템의 개발을(digital)

위한 연구가 계속되고 있다

- 13 -

제 절 연구목표2

트랙터의 기구학적 역학적 특성을 해석하고 트랙터에 작용하는 각종 부하의 크기ㆍ

와 형태를 분석하여 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준 선정에 필요한 측정 요인

각종 요인들을 감지할 수 있는 측정지점 및 계측방법을 결정한다 트랙터의 운전조

건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는 토크 축에 작( PTO ) PTO

용하는 토크 및 회전속도를 측정할 수 있는 트랙터 부하 측정시스템을 개발한다

가장 합리적인 방법으로 계측할 수 있는 센서기술 및 계측방법을 고안하고 자료수

집 프로그램을 개발함은 물론 작업 포장 및 실험실에서 부하 측정시스템의 검증실

험을 수행한다 또한 측정된 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 분석 등을 FFT PSD

이용한 통계적 분석기법 및 해석 프로그램을 개발한다

포장작업중에 트랙터의 운전조건 및 각 차축에 작용하는 토크 등을 측정할 수 있는

센서 및 계측기술을 개발한다 센서의 작동원리를 분석하고 각 센서의 감도를 설정

하여 트랙터에 장착한다

엔진 연료소비율 전후륜의 회전속도 전륜 및 후륜의 좌우측 차축토크RPM PTO

축의 토크 및 회전속도 등의 계측에 필요한 센서 및 계측기술을 개발한다 이미 알

고 있는 입력에 대한 센서의 출력을 분석하여 센서의 감도를 설정하고 신뢰도를 검

증하다

따라서 본 연구의 목적은 트랙터의 포장작업성능을 정확하고 능률적으로 평가할

수 있는 계측장치 자료수집장치와 분석방법을 개발한다

따라서 본 연구의 연구목표는 다음과 같다

트랙터의 운전조건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는1 ( PTO )

토크 스피드등 측정센서 및 계측기술을 개발한다

각각의 측정신호를 수집할 수 있는 자료수집 장치와 프로그램을 개발한다2

계측된 자료의 통계적 분석기법을 개발한다3

- 14 -

제 절 연구사3

년대 이전에는 정지상태에서의 농업기계의 성능시험을 해 왔었으나 최근에는1980

포장작업 성능실험에서 디지탈 마이크로 컴퓨터를 이용하여 측정자료를 수집할 수

있는 자료수집시스템 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있(data acquisition system)

다

등Grevis- James (16)은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 트랙터의 성능평가의AIM-65

기초자료의 견인력 주행속도 및 슬립 연료소모량 엔진의 회전속도를 마크네틱테

이프레코더 에 수집할 수 있는 자료수집 시스템을 개발하(magnetic tape recorder)

였다

최(16)는 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하였는데(one board)

단일보드 시스템을 인공토조에 부착하기 전에 실험실에서 수행하였으며 검력계의

측정감도 시험결과 각 방향의 힘에 대한 스트레인은 좋은 직진성을 보여주었다 원

판형 구절기 의 작업효율 평가에 필요한 자료를 정확하고 효율적으로 측정(coulter)

하기 위하여 마이크로 컴퓨터와 어셈블러 언어를 이용한 자료 수집장치AMI-65

를 개발하였다(data acquisition system)

등Hendrick (20)은 형의 마이크로컴퓨터를 이용하여 견인 및Intel 8030 single board

경운작업기의 성능평가자료의 분석결과만을 에 기억시켜 수집하는 포장형 측정RAM

시스템을 개발하였다

등Reynolds (21)은 트랙터의 포장성능을 평가하기 위한 데이터를 일단 에 저장하RAM

여 수집하는 수집형컴퓨터와 이것을 다시 케이블을 통해 받은 신호를 처리RS-232

하여 플로피 디스크에 기억시키게 하는 처리 저장용 프로그램을 갖고 있는 컴퓨터

로 구성된 자료수집 시스템을 개발하였다

등Chung (13)은 마이크로 컴퓨터를 이용한 트랙터의 포장 성능평가의 기초AMI-65

자료인 엔진의 회전속도 슬립 주행속도 견인력 연료소모량 구동토오크 등을 측

정하고 엔진의 회전속도 주행속도 등을 실험시작전에 모니터에 표시하여 적정 실

험상태를 판정한 후에 데이터를 수집하고 마그네틱테이프에 기록시킬 수 있는 시

스템을 개발하였다

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 12 -

제 장 부하계측 개발2 TRACTOR SYSTEM

제 절 연구배경1

우리나라의 농작업은 주로 동력경운기에 의하여 행하여져 왔으나 최근에 이르러는

조작이 쉽고 능률이 높은 트랙터의 사용이 증가되고 있다 트랙터의 농업작업은 부

하 변동이 심하고 작업의 종류와 작물 및 토양조건에 따라 영향을 받는다 따라서

한국 실정에 맞는 토양 및 작업조건에 적합한 트랙터 개발을 위해서는 실작업시 트

랙터 각 부위에 미치는 동적 특성을 검출하여 트랙터 작업 성능을 정확하게 평가함

이 무엇보다 중요하다

년 이전에는 트랙터의 성능을 예측하기 위하여 각 부위의 동적특성1980 (dynamic

을 측정하는데 아날로그 신호를 오실로스코프 나 마property) (analog) (oscilloscope)

그네틱 테이프 레코더에 기록하여 분석하는 데이터 수집장치였다 이 방법은 측정

상 많은 번거러움과 노력이 요구되며 측정자료의 신뢰성에 문제가 있었다

최근의 전기 전자산업의 발달로 인하여 이러한 문제점을 보완하기 위하여 마이크ㆍ

로 컴퓨터를 이용한 디지털 방법에 의한 자료 수집 및 분석시스템의 개발을(digital)

위한 연구가 계속되고 있다

- 13 -

제 절 연구목표2

트랙터의 기구학적 역학적 특성을 해석하고 트랙터에 작용하는 각종 부하의 크기ㆍ

와 형태를 분석하여 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준 선정에 필요한 측정 요인

각종 요인들을 감지할 수 있는 측정지점 및 계측방법을 결정한다 트랙터의 운전조

건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는 토크 축에 작( PTO ) PTO

용하는 토크 및 회전속도를 측정할 수 있는 트랙터 부하 측정시스템을 개발한다

가장 합리적인 방법으로 계측할 수 있는 센서기술 및 계측방법을 고안하고 자료수

집 프로그램을 개발함은 물론 작업 포장 및 실험실에서 부하 측정시스템의 검증실

험을 수행한다 또한 측정된 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 분석 등을 FFT PSD

이용한 통계적 분석기법 및 해석 프로그램을 개발한다

포장작업중에 트랙터의 운전조건 및 각 차축에 작용하는 토크 등을 측정할 수 있는

센서 및 계측기술을 개발한다 센서의 작동원리를 분석하고 각 센서의 감도를 설정

하여 트랙터에 장착한다

엔진 연료소비율 전후륜의 회전속도 전륜 및 후륜의 좌우측 차축토크RPM PTO

축의 토크 및 회전속도 등의 계측에 필요한 센서 및 계측기술을 개발한다 이미 알

고 있는 입력에 대한 센서의 출력을 분석하여 센서의 감도를 설정하고 신뢰도를 검

증하다

따라서 본 연구의 목적은 트랙터의 포장작업성능을 정확하고 능률적으로 평가할

수 있는 계측장치 자료수집장치와 분석방법을 개발한다

따라서 본 연구의 연구목표는 다음과 같다

트랙터의 운전조건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는1 ( PTO )

토크 스피드등 측정센서 및 계측기술을 개발한다

각각의 측정신호를 수집할 수 있는 자료수집 장치와 프로그램을 개발한다2

계측된 자료의 통계적 분석기법을 개발한다3

- 14 -

제 절 연구사3

년대 이전에는 정지상태에서의 농업기계의 성능시험을 해 왔었으나 최근에는1980

포장작업 성능실험에서 디지탈 마이크로 컴퓨터를 이용하여 측정자료를 수집할 수

있는 자료수집시스템 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있(data acquisition system)

다

등Grevis- James (16)은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 트랙터의 성능평가의AIM-65

기초자료의 견인력 주행속도 및 슬립 연료소모량 엔진의 회전속도를 마크네틱테

이프레코더 에 수집할 수 있는 자료수집 시스템을 개발하(magnetic tape recorder)

였다

최(16)는 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하였는데(one board)

단일보드 시스템을 인공토조에 부착하기 전에 실험실에서 수행하였으며 검력계의

측정감도 시험결과 각 방향의 힘에 대한 스트레인은 좋은 직진성을 보여주었다 원

판형 구절기 의 작업효율 평가에 필요한 자료를 정확하고 효율적으로 측정(coulter)

하기 위하여 마이크로 컴퓨터와 어셈블러 언어를 이용한 자료 수집장치AMI-65

를 개발하였다(data acquisition system)

등Hendrick (20)은 형의 마이크로컴퓨터를 이용하여 견인 및Intel 8030 single board

경운작업기의 성능평가자료의 분석결과만을 에 기억시켜 수집하는 포장형 측정RAM

시스템을 개발하였다

등Reynolds (21)은 트랙터의 포장성능을 평가하기 위한 데이터를 일단 에 저장하RAM

여 수집하는 수집형컴퓨터와 이것을 다시 케이블을 통해 받은 신호를 처리RS-232

하여 플로피 디스크에 기억시키게 하는 처리 저장용 프로그램을 갖고 있는 컴퓨터

로 구성된 자료수집 시스템을 개발하였다

등Chung (13)은 마이크로 컴퓨터를 이용한 트랙터의 포장 성능평가의 기초AMI-65

자료인 엔진의 회전속도 슬립 주행속도 견인력 연료소모량 구동토오크 등을 측

정하고 엔진의 회전속도 주행속도 등을 실험시작전에 모니터에 표시하여 적정 실

험상태를 판정한 후에 데이터를 수집하고 마그네틱테이프에 기록시킬 수 있는 시

스템을 개발하였다

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 13 -

제 절 연구목표2

트랙터의 기구학적 역학적 특성을 해석하고 트랙터에 작용하는 각종 부하의 크기ㆍ

와 형태를 분석하여 한국형 트랙터의 설계 및 시험기준 선정에 필요한 측정 요인

각종 요인들을 감지할 수 있는 측정지점 및 계측방법을 결정한다 트랙터의 운전조

건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는 토크 축에 작( PTO ) PTO

용하는 토크 및 회전속도를 측정할 수 있는 트랙터 부하 측정시스템을 개발한다

가장 합리적인 방법으로 계측할 수 있는 센서기술 및 계측방법을 고안하고 자료수

집 프로그램을 개발함은 물론 작업 포장 및 실험실에서 부하 측정시스템의 검증실

험을 수행한다 또한 측정된 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 분석 등을 FFT PSD

이용한 통계적 분석기법 및 해석 프로그램을 개발한다

포장작업중에 트랙터의 운전조건 및 각 차축에 작용하는 토크 등을 측정할 수 있는

센서 및 계측기술을 개발한다 센서의 작동원리를 분석하고 각 센서의 감도를 설정

하여 트랙터에 장착한다

엔진 연료소비율 전후륜의 회전속도 전륜 및 후륜의 좌우측 차축토크RPM PTO

축의 토크 및 회전속도 등의 계측에 필요한 센서 및 계측기술을 개발한다 이미 알

고 있는 입력에 대한 센서의 출력을 분석하여 센서의 감도를 설정하고 신뢰도를 검

증하다

따라서 본 연구의 목적은 트랙터의 포장작업성능을 정확하고 능률적으로 평가할

수 있는 계측장치 자료수집장치와 분석방법을 개발한다

따라서 본 연구의 연구목표는 다음과 같다

트랙터의 운전조건 주행단수 단수 포장조건등 에 따른 각 차축에 작용하는1 ( PTO )

토크 스피드등 측정센서 및 계측기술을 개발한다

각각의 측정신호를 수집할 수 있는 자료수집 장치와 프로그램을 개발한다2

계측된 자료의 통계적 분석기법을 개발한다3

- 14 -

제 절 연구사3

년대 이전에는 정지상태에서의 농업기계의 성능시험을 해 왔었으나 최근에는1980

포장작업 성능실험에서 디지탈 마이크로 컴퓨터를 이용하여 측정자료를 수집할 수

있는 자료수집시스템 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있(data acquisition system)

다

등Grevis- James (16)은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 트랙터의 성능평가의AIM-65

기초자료의 견인력 주행속도 및 슬립 연료소모량 엔진의 회전속도를 마크네틱테

이프레코더 에 수집할 수 있는 자료수집 시스템을 개발하(magnetic tape recorder)

였다

최(16)는 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하였는데(one board)

단일보드 시스템을 인공토조에 부착하기 전에 실험실에서 수행하였으며 검력계의

측정감도 시험결과 각 방향의 힘에 대한 스트레인은 좋은 직진성을 보여주었다 원

판형 구절기 의 작업효율 평가에 필요한 자료를 정확하고 효율적으로 측정(coulter)

하기 위하여 마이크로 컴퓨터와 어셈블러 언어를 이용한 자료 수집장치AMI-65

를 개발하였다(data acquisition system)

등Hendrick (20)은 형의 마이크로컴퓨터를 이용하여 견인 및Intel 8030 single board

경운작업기의 성능평가자료의 분석결과만을 에 기억시켜 수집하는 포장형 측정RAM

시스템을 개발하였다

등Reynolds (21)은 트랙터의 포장성능을 평가하기 위한 데이터를 일단 에 저장하RAM

여 수집하는 수집형컴퓨터와 이것을 다시 케이블을 통해 받은 신호를 처리RS-232

하여 플로피 디스크에 기억시키게 하는 처리 저장용 프로그램을 갖고 있는 컴퓨터

로 구성된 자료수집 시스템을 개발하였다

등Chung (13)은 마이크로 컴퓨터를 이용한 트랙터의 포장 성능평가의 기초AMI-65

자료인 엔진의 회전속도 슬립 주행속도 견인력 연료소모량 구동토오크 등을 측

정하고 엔진의 회전속도 주행속도 등을 실험시작전에 모니터에 표시하여 적정 실

험상태를 판정한 후에 데이터를 수집하고 마그네틱테이프에 기록시킬 수 있는 시

스템을 개발하였다

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 14 -

제 절 연구사3

년대 이전에는 정지상태에서의 농업기계의 성능시험을 해 왔었으나 최근에는1980

포장작업 성능실험에서 디지탈 마이크로 컴퓨터를 이용하여 측정자료를 수집할 수

있는 자료수집시스템 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있(data acquisition system)

다

등Grevis- James (16)은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 트랙터의 성능평가의AIM-65

기초자료의 견인력 주행속도 및 슬립 연료소모량 엔진의 회전속도를 마크네틱테

이프레코더 에 수집할 수 있는 자료수집 시스템을 개발하(magnetic tape recorder)

였다

최(16)는 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용하여 자료를 수집하였는데(one board)

단일보드 시스템을 인공토조에 부착하기 전에 실험실에서 수행하였으며 검력계의

측정감도 시험결과 각 방향의 힘에 대한 스트레인은 좋은 직진성을 보여주었다 원

판형 구절기 의 작업효율 평가에 필요한 자료를 정확하고 효율적으로 측정(coulter)

하기 위하여 마이크로 컴퓨터와 어셈블러 언어를 이용한 자료 수집장치AMI-65

를 개발하였다(data acquisition system)

등Hendrick (20)은 형의 마이크로컴퓨터를 이용하여 견인 및Intel 8030 single board

경운작업기의 성능평가자료의 분석결과만을 에 기억시켜 수집하는 포장형 측정RAM

시스템을 개발하였다

등Reynolds (21)은 트랙터의 포장성능을 평가하기 위한 데이터를 일단 에 저장하RAM

여 수집하는 수집형컴퓨터와 이것을 다시 케이블을 통해 받은 신호를 처리RS-232

하여 플로피 디스크에 기억시키게 하는 처리 저장용 프로그램을 갖고 있는 컴퓨터

로 구성된 자료수집 시스템을 개발하였다

등Chung (13)은 마이크로 컴퓨터를 이용한 트랙터의 포장 성능평가의 기초AMI-65

자료인 엔진의 회전속도 슬립 주행속도 견인력 연료소모량 구동토오크 등을 측

정하고 엔진의 회전속도 주행속도 등을 실험시작전에 모니터에 표시하여 적정 실

험상태를 판정한 후에 데이터를 수집하고 마그네틱테이프에 기록시킬 수 있는 시

스템을 개발하였다

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 15 -

등Tompkins (24)은 작업기의 성능 및 작업시 소요동력을 최소로 하기 위한 작업변수

를 구명할 목적으로 주행속도 견인력 연료소모량 구동축토오크 및 속도 견인동

력 슬립 등을 마이크로 컴퓨터를 이용하여 데이터를 마그네틱 테이프에 기록시키

는 자료수집시스템을 개발하였다

등Grevis (17)은 성능에 관계하는 슬립 주행속도 요소동력 견인역학을 아날tractor

로그 컴퓨터 가술을 이용하여 의 성능변수를 모니터하게 되게 되었다 이때tractor

각 신호 측정기는 주행속도 견인력 및 견인동력 슬립을 표시하도록 하였으며 이

시스템은 트랙터의 작업성능 향상과 트랙터의 적정 작업조건의 설정에 만족하게 사

용할 수 있다고 보고하였다

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 16 -

제 절 이론적 배경4

트랙터에는 여러 형태의 힘 모멘트 토크 진동 등이 작용하고 있으며 상호 상쇄 및

합성되어 트랙터의 성능 및 안정성에 영향을 미친다 일반적으로 엔진 주행 RPM

속도등은 트랙터의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다

토크 는 회전력의 크기를 나타낸다 렌치로 볼트를 조일 경우에 볼트에 작(Torque)

용하는 회전력과 같으며 토크는 식 과 같다(3-1)

여기서 T = 토크(N m)ㆍ

F = 힘(N)

L = 토크 암의 길이 (m)

식 에서와 같이 토크는 렌치에 큰 힘이 작용하거나 볼트 중심으로부터 먼 곳(3-1)

에서 힘을 작용시킬수록 증가됨을 알 수 있다

토크에서 작용하는 일은 렌치가 회전하는 동안 같은 크기의 토크가 작용한다고 하1

면 회전하는 동안 한 일 은 식 와 같다 1 (W) (3-2)

여기서 W = 일

T = 토크(N m)ㆍ

기관의 축토크는 기관출력 즉 제동출력과 기관속도로부터 토크는 식 과 같다(3-3)

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 17 -

여기서 Te = 기관의 축토크(kN m)ㆍ

Ne = 기관의 회전속도(rpm)

차축토크는 차축출력과 차축의 회전속도로부터 식 와 같다(3-4)

여기서 Tax = 차축토크(kN m)ㆍ

Pax = 차축출력(kW)

Nax + 기관의 회전속도(rpm)

식 과 에 기계효율(3-3) (3-4) 및 를 이용하면 식 와(3-5)

같다

동력 은 일의 시간 변화율 즉 단위시간당 수행된 일의 양을 말한다 이를(power)

식으로 나타내면 동력 은 식 과 같다(P) (3-6)

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 18 -

여기서 시간 동안에 한 일 W = t

초동안 의 힘이 어떤 물체에 작용하여 힘의 방향으로 물체를 이동하였을1 1N 1m

때 힘은 의 동력을 발생한다 동력은 를 사용하며 일상적으로 사용하는IN ms Wㆍ

마력 은 이다(PS) 735W

속도는 시간당 진행 거리로 정의되므로 동력은 힘에 힘이 작용하여 물체가 이동하

는 속도를 곱한 값을 나타낸다 동력을 산출하는 식은 식 과 같다 (3-7)

여기서 P = 선형 동력(kW

F = 힘(kN)

V = 속도 (ms)

회전속도는 단위시간당의 각변위으로 정의되며 단위는 일반적으로 분당 회전수 즉

회전속도 또는 를 사용한다(revolution per minute revmin rpm)

회전동력은 식 의 회전당 일량에 회전속도를 곱한 값이며 식 으로 산출(3-2) (3-8)

할 수 있다

여기서 P = 동력 (kW)

T = 토크(N m)ㆍ

n = 회전속도 (rpm)

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 19 -

제 절 재료 및 방법5

실험재료1

가 트랙터

본 연구에 사용된 트랙터는 국내에서 가장 폭 넓게 사용되는 기계의 디젤 마LG (45

력 륜구동을 사용하였다 표 은 본 연구에 이용된 트랙터 엔진의 성능 및) 4 (4-1)

사양을 나타내며 표 는 트랙터의 사양을 나타낸다 (4-2)

트랙터의 축 부분의 스프라인은 그림 과 같다PTO (4-1)

Table 4-1 Specifications of ENGINE

항목 주요사양

형식명 S4QLAT

형식 직립형수냉 사이클 기통디젤4 4

호칭출력(PS) 45

정격회전수(RPM) 2600

총배기량(cc) 2505

연료분사장치펌프형식 분배형(CAV)

노즐형식 밀폐형 핀틀형( )

연소실 형식 와류실식

실린더 지름 행정( times ) 88mm times 103mm

압축비 22 1

조속기 원심기계식

냉각수용량( )ℓ 996

연료탱크 용량( )ℓ 55

윤활유용량( )ℓ 8

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 20 -

Table 4-2 Specification of TRACTOR (LT470DC)

항목 주요사항

형식명 LT470DC

길이 폭 높이times times (mm) 3620times1655times2410

차량 총 중량(kg)

전륜 988

후륜 1317

총중량 2395

차륜거리(mm)

전륜 1340

후륜 1290

최저지상고 355

동력전달장치

주클러치 건식단판식

주변속기 동기물림식 단4

부변속기 상시물림식 단2

전 후진 동기물림식

축PTO

축직경(mm) 35mm120593

단수별회전수 단 단 단1 (585RPM)2 (756RPM)3 (1110RPM)

차륜규격전륜 95-20 6PR

후륜 136-28 6PR

주행속도(kmhr)

전진 단1 181

전진 단8 2194

후진 단1 22

후진 단8 2732

최소회전반경우향 2965

좌향 3035

출력성능최대출력 45PS2600

최대토크 143

출력성능PTO최대출력PTO 42PS

연료소비율 208gpsh

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 21 -

Fig 4-1 Dimensions Spline of PTO

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 22 -

나 마이크로 컴퓨터

본 연구에 사용한 마이크로 컴퓨터는 휴대 및 트랙터에 장착이 손쉬운 노트북 컴퓨

터 삼성 를 사용하였다 는 이며 기억용량이 이다( ) CPU Pentium-100 16MB

포트를 통하여 신호와 데이터를 주고받을 수 있다RS-232

다 인터페이스 (Interlace)

본 연구에 사용한 인터페이스는 마이크로 컴퓨터와 로 송수신RS-232 Serial Port

할 수 있는 사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

는 가상계측기 계측기의 형식을 사용자 가 사용하MGC (virtual instruments VI) (user)

기 쉬운 방법으로 시스템을 구축할 수 있다

종전의 발상 계획 프로그래밍 실행 의 경위를 거쳤는데 는 혁신적인 그 MGC「 rarr rarr rarr 」

래피컬 프로그래밍 방식과 데이터 플로 아키텍처가 계획과 프로그래밍의 행정을 초

단축하여 개발자는 실행 즉 그 프로그램을 필요로 하는 프로젝트 그 자체에만 시

간을 들일 수 있다 의 사양은 표 과 같으며 구성도는 그림 와 같다 MGC (4-3) (4-2)

Table 4-4 System device of MGC

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 23 -

Fig 4-2 Block diagram of MGC measuring amplifier system

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 24 -

라 자료수집장치 (Data Acquisition System)

각 측정장치에서 오는 신호를 수집 조합하여 저장할 수 있는 자료수집장치는

사의 를 사용하였다Hottinger Baldwin Messtechnik MGC

종래의 나 에서는 프로그램의 디버그에 노력을 하고 있는데 는 시스템C Basic MGC

파악의 일원화를 위해 그래피컬 유저 인터페이스 를 사용하고 있으며(GUI)

를 기초로 하여 편리성을 더해 주고 있다 또한 하드웨어 보드와 병용함으windows

로써 아날로그 신호 디지털 신호 카운터 타이며 신호 등을 사용하여 데스크톱이

나 노트형 퍼스널 컴퓨터를 계측기로서 사용할 수 있다

가상계측장치인 는 머신 인터페이스의 프론트 패널과 데이터의 흐름이나 처리MGC

법을 결정하는 블록 다이어그램의 두 개의 패널로 구성되어 있다 프로트 패널에서

는 입력값을 성정하여 블록 다이어그램에서의 출력을 표시한다 또한 제어기 또는

표시기가 되는 푸시버튼 스위치 파형 그래프나 차트 등의 강력한 오브 LED GUI

젝트를 가지고 있다 이들 오브젝터 중에서 필요한 것은 선택하여 화면상에서의 위

치나 크기를 결정하고 또한 데이터의 종류 범위 디폴트값 등을 구성한다 이와

같은 그래피컬 오브젝트를 사용함으로서 멀티미터나 오실로스코프 등의 계측기의

프론트 패널을 그대로 퍼스널 컴퓨터의 모니터에 재현하여 제어 및 데이터를 수집

저장할 수 있다ㆍ

는 많은 애플리케이션 요구에 응용할 수 있는 유연하고 사용이 용이한 자료수MGC

집장치의 소프트프로그램이라는 관점에서 개발되었기 때문에 폭넓은 분야에서 쓰이

고 있다

그림 은 데이터를 주고받을 수 있는 의 전체적인 구성도를 나타낸다(4-3) MGC

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 25 -

Fig 4-3 All normally used transducers of MGC system

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 26 -

실험방법2

농업기계 특히 포장용 농업기계의 전기계측은 초기에는 성능조사와 개발 연구를

목적으로 하는 것이었지만 최근에는 이러한 것들에 더하여 전기계측을 포함한 제

어장치를 설치한 것이 증가하고 연구단계에 있다

가 측정항목과 범위

트랙터의 제원과 이론적 고찰을 통하여 측정항목과 범위는 표 와 같이 결정하(4-5)

였다

Table 4-5 Item and range of measuring

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 27 -

나 측정방법

측정1) Engine Speed

회전속도는 보통 분간의 회전하는 수를 단위로 표현하고 전기적인 측정법의 1 rpm

경우는 발전기의 원리를 이용하여 연속적인 아날로그 신호를 얻는 방법과 회전수의

정수배의 펄스신호를 얻는 방법이 있다

발전식 회전계에는 교류식과 직류식이 있는데 교류식은 회전자에서 영구자석을 사

용하고 고정자에서는 권선이 설치되어 있어서 회전수에 비례하는 권선에서 발생하

는 전압을 반도체의 정류기에서 정류하고 있고 직류식에는 프로이니 브레이크를

제시한다 이것은 본래 저울로 토크를 측정하는 것이지만 전기식 하중계로도 측정

된다 종래에는 흡수동력계도 반동동력계도 용수철저울을 이용하여 측정하고 있지

만 이것을 전기저항선 변형센서식 등의 전기적하중계로 측정하는 경우가 많이 나

오고 있다 본 연구에서는 트랙터에 설치되어 있는 이용하여 측 Tachometer Port

정한다

측정2) Ground Speed

를 측정하기 위하여 의 을 사Ground speed Nucleus Coporation NC8-MP45-8666

용하였으며 이 장치의 구성은 제 륜 과 마이크로프로세서를 내장한 디 5 (fifth wheel)

스플레이장치와 타이어의 중심축내에 로터리 인코더가 장착되어 디지털 신호선 아

날로그 신호선 및 시리얼 커뮤니케이션을 위한 신호선을 통해 제 륜의RS-232 5

속도 및 회전거리에 관한 신호를 수집할 수 있도록 되어있다 본 실험에서는 아날

로그 신호선으로 부터 수집된 아날로그 값을 모든 아날로그 입력을 연결할 수 있는

터미날 보드에 연결하여 아날로그 값을 받아들인 후 데이터 수집 보드 (acquisition

인 로 그 입력값을 컴퓨터와 인터페이스하여 사용한다board) MGC

그림 은 로부터 얻어진 아날로그 신호를 컴퓨터와 인터페이스를한 구성도(4-4) NC8

를 나타낸 것이다

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 28 -

트랙터의 전면 또는 측면에 로터리 인코더를 포함하고 있는 을 제 륜으로 부NC8 5

착하여 회전속도 및 회전 거리를 측정한다 로터리 인코더는 디지털 신호로서 TTL

펄스를 발생하기도 하며 아날로그 신호를 발생하기도 하므로 여기서 발생한 아날

로그 신호를 외부 접속보드에 연결하여 신호의 레벨을 조정한 후 데이터 수집 보

드에서 아날로그 신호를 수집하여 보정을 거쳐 주행 속도나 주행 거리를 구할 수

있다 측정된 아날로그 신호에 대응한 트랙터의 속도는 등속으로 가정하고 경과된

시간을 측정하며 그 경과된 시간과 트랙터의 등속을 이용하여 트랙터의 이동거리

를 계산하였다 로터리 인코더에서 얻어진 데이터는 계속적으로 이동 거리로서 누

적되고 제 륜의 직경은 이다 5 67 cm

과 컴퓨와의 인터페이스의 계통도는 그림 와 같다NC8 (4-4)

연료소비율 측정3)

연료소비량은 연료의 유무를 발광기나 수광기로서 검출하는 방법이 있다

이 방법에는 특히 수정발진기를 기준으로 하는 시계가 있어서 단위시간당의 연료

소비량이 얻어진다

연속적으로 미소일정량의 소비연료에 대한 펄스신호를 얻는 방법도 구해지는데 개4

의 작은 피스톤이 방사형으로 설치되어지고 이것이 회전하는 곳에서 펄스신호를 내

는 계기가 있고 연료의 통과에 의하여 로타를 회전시키고 로타의 회전을 전자적으

로 외부로부터 검출하여 펄스신호를 얻는 계기도 있다 어느 쪽이나 펄스신호가 있

기 때문에 이것을 전자적 카운터에서 연료소비량으로 환산한다

측정에는 관속을 흐르고 있을 경우 관의 단면적 평균유속 가 주어지면 체적유 A v

량은 로 주어지며 여기에 유체의 밀도Q=Av ρ 및 비중량 120516를 곱해줌으로써 질량

유량 중량유량을 구할 수 있다 유량 유속의 측정은 별로 명확한 구별은 없고 유

량계라 하든 유속계라 하든 무방하다

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 29 -

Fig 4-4 Interface of computer and NC8

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 30 -

유량계중 차압식유량계는 기본적인 측정방법으로 관로를 오리피스 노즐 (orifice)

벤츄리관으로 부설하고 유체의 흐름을 좁혀 좁힌 상류와 좁힌 부위의 차압을 측정

하여 유량을 계산하는 방법이다

면적유량계는 차압식 유량계에서 관로를 좁히는 부위 전후의 차압측정 대신에 그

차압이 일정하도록 좁히는 면적의 전후를 변화시켜서 유량을 구하는 방법이다

피토관은 가느다란 관의 한쪽을 직각으로 굽혀서 그 관의 공 을 유체흐름에 향( )孔

하게 하면 동압 정압의 크기가 나타나므로 수두의 차가 압력이 된다 터어빈형유량+

계는 유체의 흐름속에 놓여 있는 터어빈의 회전수에 유량을 측정하는 것으로 적산

기계 를 가해 사용하고 있다( ) 績算機械

전자유량계는 유전성의 물체가 자계내에서 움직이면 기전력을 발생하는 전자 유도

의 법칙을 이용하는 것인데 기체 증기 기름등과 같은 유체의 측정은 곤란하다 초

음파유량계는 도플러 효과에 의하여 흐름을 따라 음파를 발사했을 경우와 흐름에

저항하여 발사했을 경우 일정한 거리에 도달하는 시간이 다르다는 현상을 이용하는

것이다 열식유량계는 전기적으로 가열도선을 흐르는 유체내에 놓았을 때 열이 유

량 등의 여러 요인에 따란 전도되는 것을 이용한 방법으로 열선풍속계(itot-wire

와 토마스방법이 있다anemometer)

본 연구에 사용한 유량계 는 의 선형 출력신호를 발생하는(flow meter) 0~5VDC

사 를 사용하여 연료필터와 엔진사Flow-meter(model102 FLO-SENSOR McMillan )

이에 장착을하여 연료소모량을 산출한다

유량계 의 제원은 표 와 같다(Flo-Sensor) (4-5)

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 31 -

Table 4-5 Specifications of Flow Meter(200 FLO-SENSOR)

차축 측정4) PTO Torque

일반적인 계측량 중에서도 토오크의 계측은 기계계측에서 가장 기본적이고도 중요

한 것의 하나이지만 힘 그 자체의 형태로 계측하는 경우는 비교적 적고 중력 동력

저항력 합력 응력 등의 형태로 계측하는 경우가 많다

토오크 측정은 최대전단응력이나 비틀림각도를 측정함으로써 계산할 수 있다 비틀

림각을 측정하여 회전축에 전달되는 토오크를 결정하는 기계적인 토오션미터가 있

으며 가장 널리 이용되는 전기적 토오션미터로는 스트레인 게이지 토오크미터가

있다

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 32 -

그림 와 같이 직경 의 축에 토오크 를 가할 때에 축 표면의 전단응력(4-5) d T τ는 τ

=16Tπd2가 된다 이 경우에는 그림 와 같이 축표면에서 축방향과 를 이 (4-5) 45 deg

루는 a-a 방향과 방향의 응력을 각각b-b σ1σ2 라 하면 σ1σ2 는 주응력이며

가 된다

토오크의 방향을 그림 와 같이 하면(4-5) σ1은 인장 응력 σ2는 압축 응력이 된다

따라서 a-a 방향과 방향의 변형률을 각각b-b ε1 ε2 로 하고 축재료의 종탄성 계

수를 포와송비를E ν라고 하면 식 와 같다(4-1) (4-2)

방향과 방향에a-a b-b R1 R2 의 변형게이지를 또한 축심에 관해 대칭으로 R3 R4

를 접착하고 이를 브리지에 결선하면 브리지의 등가 변형률은 4ε이 된다 축선에

대해 변형 게이지가 방향이 되도록 한 패턴이 있는 토오크용 변형 게이지가 있45 deg

다 이 변형 게이지는 한 장의 패턴에 서로 가 되도록 직교하도록 개의 게이 45 deg 2

지가 형성되고 있다

그림 는 토크 트랜스듀서의 원리를 나타낸다(4-5)

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 33 -

Fig 4-5 Principles of torque transducer

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 34 -

또한 토오크 트랜스듀서는 거의 회전체에 사용되기 때문에 신호 전송에 슬립링(slip

이 필요하다 슬립링은 토오크 트랜스듀서 이외에도 변형게이지에 의한 회전체ring)

의 응력 측정 진동 측정 온도 측정 등에 사용된다 슬립링은 금속링과 브러시를

사용하고 회전하는 링의 신호를 브러시와의 접촉 섭동에 의해 전달하는 접촉식 슬

립링과 회전 트랜스 등을 사용하고 전자유도를 이용하여 신호를 전달하는 것으로

회전체와 고정측은 비접촉인 비접촉식이 있다

접촉형은 기계적으로 신호를 전달하는 것이며 비접촉형은 기계적인 접촉이 없으므

로 보수성이 대단히 좋다 단 비접촉형은 반송파 방식의 변형 증폭기가 필요하고

출력 감도도 회전 트랜스 능률 때문에 수명과 보수를 위한 요구가 크다

두 방식의 비교는 표 과 같다(4-6)

Table 4-7 Relationship of signal transducer method

방식항목

접촉형 비접촉형

교정 출력의 크기 변형게이지의 출력전압 출력전압 times M

적용증폭기 캐리어 또는 직류타입 캐리어 타입

출력노이즈슬립형 브러시의ㆍ접촉저항변화

자계변화

보 수 필요 브러시부( ) 없음

가격면 싸다 비싸다

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 35 -

토오크 트랜스듀서의 구조는 로우터와 스테이터로 구성되며 각각 브리지의 입출력

단에 차와 차의 코일이 짝을 형성하고 코일을 싸는 래미네이션 코어가 들어 있1 2

다 이와 같이 해서 공극이 있는 하나의 자로를 스테이터와 로우터에 만들고 그 공

극을 자속의 형태로 신호를 전달하는 것이다

변형게이지는 로우터축의 단붙이부에 첩부하고 그 양측을 베어링으로 지지하고 있

다 이러므로 비접촉형의 수명은 베어리에 의존하는 것이 크다

그림 은 토오크 미터의 구조를 나타낸다(4-6)

Fig 4-6 Structure of torque meter

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 36 -

스트레인 게이지형의 토오크 미터에서 가장 문제가 되는 것은 스트레인 게이지를

회전축에 첩부해야 하며 스트레인 게이지로 전원 공급하는 것과 신호인출을 어떻게

하느냐가 문제이다

실험 계측이면 슬립형을 사용하여도 무관하지만 장기간 연속해서 측정하는 경우에

는 적합하지 않다 장기간 연속해서 사용하기 위해 회전체에 전원을 공급하는 것과

신호 인출을 비접촉으로 할 필요가 있다

여기에는 유도 텔레미터법으로 신호를 전송하고 로우터리 트랜스나 태양 전지FM

와 전자의 조합으로 전원을 공급하는 방식의 축마력계로서 추에 가해지는 회NiCd

전 토오크에 회전수를 곱한 것이며 이의 축토크는 회전축의 비틀림을 축상에서 축

과 의 각도로 십자형과 같이 첩부된 개의 토오크 스트레인 게이지로 검출하고45 deg 4

주파수 변조 파로서 발신한다(FM)

대개 회전축의 비틀림은 스트레인 게이지로 검출하여 안정하게 증폭하고 오차가 증

가하지 않는 방식으로서 스테레인 게이지에서 브리지에 대한 약간의 저항 변화를

브리지 제어 발진기의 일부로서 구성한다 물론 브리지에는 발진주파수와 같은 주

파수의 전압 약 이 브리지 공급 전압으로 인가되고 있다( 25V)

변조파의 주파수와 토오크의 직선성은 대단히 좋고 약 이며 정적인 측정이FM 1

면 이 주파수나 주기를 카운터로 판독하던가 로 데이터를 처리한다CPU

그림 은 유도방식 마력계의 구조를 나타낸다(4-7) FM

본 연구에서는 전지를 내장하고 소형의 송신기를 축에 설치하고 출력신호를축FM

의 주변에 안테나를 설치한 수신기에서 수신할 수 있는 토오크 센서를 사용하였다

토크센서의 사양은 표 과 같고 전체적인 구성도는 그림 과 같다(4-7) (4-8)

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 37 -

Fig 4-7 Schematic of FM leading method

Table 4-8 Specifications of Telemetry Transmitter

Item Specification

Model F-1001

Sensor Input full bridge strain gage 120 ohm

Excitation Bridge Excitation 5VDC

Current Draw 34mA

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 38 -

Fig 4-8 Schematic of telemetry system

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 39 -

차축 및 측정5) PTO Speed

로타리인코더는 회전부의 검출부는 회전판과 고정판으로 구성되어 있으며 양측은

와 포우터트랜지스터 사이에 있다 의 빛은 회전판과 고정판의 슬릿을 통해LED LED

포우터트랜지스터에 도달한다 포우터트랜지스터의 출력은 앰프 피이크 센스 전압

비교기 등을 통해 구형파가 된다

광 방식의 로터리 인코더 또는 샤프트 인코더라고 하는 센서는 회전(rotary) (shaft)

위치를 검출하기 위해 모터를 사용하는 고속 회전 위치 제어 등의 수요가 급속DC

히 늘어나고 있는데 이것은 수십 정도까지 응답하는 고속성과 비접촉 동작에kHz

의한 높은 신뢰성 때문이다 로터리 인코더에는 앱셀루트 형과 인크리먼탈 (absolute)

형이 있다 앱셀루트형은 회전 디스크에 새겨진 복수의 패턴으로부터(incremental)

회전 각도의 절대위치를 표시한다

인크리멘탈형은 현재 주류로 되고 있는 것으로서 회전 디스크의 패턴이 간단하다

통상 축의 회전에따라 서로 위상이 다른 상의 펄스를 출력하고 그 위상차로부터2

회전의 방향과 펄스수의 가산 결과로부터 회전의 방향을 검출한다 절대 위치를 알

기 위해서는 회전의 정위치에서 인덱스 펄스 를 출력하여 기준 위치를(index pulse)

정한다 이용 예가 많은 것은 광식인데 정밀도가 높은 것은 유리에 크롬이나 알루

미늄을 증착한 회전 디스크를 포토 에칭하여 패턴을 만든다 간단한 것은 스테인리

스 등에 슬릿 을 뚫어 만든다 자기식은 오염에 강하고 정전 용량식은 소비 전(slit)

력이 적게 되는 등의 특징이 있다 또 로터리 인코더와 같은 방법으로 리니어 인코

더도 제작되고 있는데 자기식은 마그네스케일이 유명하다 그림 는 로터리 (4-9)

인코더의 기본구조를 나타낸다

로타리인코더는 매 회전시 개의 펄스 를 발생하므로 이 펄스의 수1024 TTL (pulse)

를 계수하여 속도를 측정하며 보조바퀴 지름 를 달았을 경우 그 관계식은( 124mm)

식 과 같다(4-3)

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 40 -

Fig 4-9 Basic structure of rotary encoder

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 41 -

여기서 V = 작업기의 주행속도(kmh)

D = 보조바퀴의 지름(124mm)

N = 계수된 펄스의 수

t = 펄스의 측정간격(sec)

그림 의 실제의 인크리멘털형에서는 위상이(4-9) 90 어긋난 두 출력이 발생할 수deg

있도록 포토셀과 고정 디스크를 배치하여 사용한다

본 연구에서는 미국 사의 로터리 인코더 모델 를Disk Instruments ( EC 81-1024-5)

차축 개 과 개 를 사용하여 회전속도를 측정한다(4 ) PTO(1 )

엔진오일 및 연료 온도 측정6)

온도를 측정하는 방법을 크게 나누면 피측정 물체에 측정기의 검출부를 직접 접촉

시켜 양자 사이에 열수수 를 행하게 하고 평형되었을 때의 검출부의 온도에( )熱授受

서 대상물의 온도를 정하는 접촉법과 측정할 물체에서 열복사의 강도를 측정하여

온도를 알게 하는 무접촉법이 있다 또한 온도측정에 이용되는 현상에 따라 열적인

팽창 열전기 저항 복사(thermal expansion) (thermoelectric) (resistance)

등에 의한 온도 측정방법이 있다 이러한 방법들은 정밀도 기록방법(radiation)

제어 온도범위 위치 및 경비 등의 조건에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다

유리온도계는 액체의 열팽창을 이용한 온도계로서 간단하고 정도가 좋으므로 널리

사용되며 흔히 수은온도계 알코올 온도계로 불린다 압력식 온도계는 압력이 온도

변화에 따라서 변하고 있는 성질을 이용하여 압력계를 써서 온도를 측정할 수 있는

것으로 유체가 봉입되어 있는 소구 와 부르돈관 벨로우즈 다이아프램 등의 ( ) 小球

압력계를 모세관에 연결하여 온도변화에 따라 생기는 압력 변화를 압력계로 읽어

온도를 나타내는 것으로 액체식 증기압식 기체식의 세 종류로 나눈다

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 42 -

저항온도계는 대개의 금속의 전기저항은 온도에 따라서 변화하는데 온도가 상승하

면 전기저항이 증가하는 것을 검출하여 온도를 측정하고 있다 열전온도계는 열이

전기적 에너지로 변환되는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것으로 열전 효과가

주어지는 경우는 두 종류 금 속의 양단을 접합시켰을 때 전위차가 있으며 온도구

배가 있다면 하나의 금속에서 조차도 전위구배가 주어진는 현상을 이용하여 온도

측정에 응용되는 것이 열전대 이다(thermocouple)

엔진오일 압력 측정7)

압력은 계측 전반에 걸쳐 가장 빈번히 실행되고 있는 것 중의 하나인데 압력은 단

위면적당의 작용하는 힘의 크기로서 주어지며 보통 전압력이나 절대압력보다는 게

이지 압력으로 표시하고 있다

압력측정장치로는 매우 간단한 자관압력계 로부터 극히 복잡U (U-tube manometer)

한 전기적 압력 측정장치까지 있으며 일반적으로 액주압력계 부르돈관이나 다른

기계적인 압력 측정요소는 정압 측정에 사용되며 동압(static pressure) (dynamic

이나 원격측정에는 전기적 장치에 관련된 압력변환기를 사용하는 것이 필pressure)

요하다 압력의 단위로는 사용하는 측정장치 및 방법에 따라 여러 가지가 있으며

기준이 되는 단위는 Pa(1Pa=1Nm2 이 사용되고 있다)

측정압력의 측정 범위에 따라 적당한 압력계를 선정할 필요가 있다 보통 많이 사

용하는 범위의 압력계 극히 높은 고압용의 압력계 진공계 미소한 압력차를 측정

하는 미압계 등으로 나눌 수 있다( ) 微壓計

액주압력계는 압력과 액주가 갖는 압력과 평형시켜 그 액주의 높이로부터 압력을

알 수 있고 액주로서는 수은을 많이 사용하고 있으며 압력범위에 따라서는 물 기

름 등도 사용하고 있다

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 43 -

탄성압력계는 탄성체에 압력을 가하면 변형이 일어나는 성질을 이용하여 탄성 변형

을 측정함으로써 압력을 알 수 있는 압력계로서 측정액을 사용하지 않으므로 부착

취급이 간단하여 공업용으로 편리하게 사용되고 있다 그러나 엄밀한 탄성법칙에

따르는 수압체 를 얻기 곤란하며 히스테리시스현상 그리이프현상 경년변( ) 水壓體

화 가 생겨 오차의 원인이 되고 있어서 설계상으로 탄성 변형량을 작게( )經年變化

하고 수압체의 변형량을 링크 피니언 등의 확대기구를 거쳐 지시기구에 연결토록

하고 있지만 이 부분에는 백래쉬 등에 의한 오차가 있게 된다 또 온도 (back lash)

에 따라서 탄성계수가 달라지기 때문에 정밀도는 대략 가 되고 있다=1~2

진공계는 기체를 압축하여 수은주로 읽고 체적변화로부터 압력을 계산하는 형식으

로 의 법칙에 기초를 둔 것인데 여기에는 진공계 방전을 이용한 가Boyle Mcleod

이슬러관의 진공계등이 있다

본 연구에서는 일본 사의 압력계를 사용한다TSK PW-10 MODEL

Table 4-8 Specifications of pressure sensor

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 44 -

제 장 토양물성 개발3 DATA BASE

제 절 연구배경1

농업기계 건설중장비 군사용차량 등 로외차량 이 운용되고 (off-the road vehicle)

있는 자연 토양은 점토에서부터 눈 모래에 아르기까지 매우 다양하다 다양한 지면

위를 운행하고 있는 로외차량 트랙터 의 주행 및 견인성능은 지면의 토양 상태에( )

따라 크게 영향을 받기 때문에 지면의 토양조건은 차량성능에 제한적인 요소로 작

용하는 경우가 많다 또한 농업기계 부착용 작업기 플라우 로타리 의 견인저항 역 ( )

시 토양상태에 크게 영향을 받기 때문에 지역적인 토양특성에 따라 견인특성이 다

르게 나타난다 따라서 로외차량이 운행되고 있는 토양에 대한 역학적 특성과 차륜

토양 작업기 토양간의 역학적 상호작용에 대한 이해는 임의의 토양상태에서 로외- -

차량 및 작업기의 제원에 따른 성능을 예측할 수 있게 한다 그러나 토양특성은 지

역에 따라 다르기 때문에 지역에 따라 주행성능 및 작업성능도 다르게 나타난다

따라서 지역적 토양특성에 따른 차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항을

예측하기 위해서는 각 지역의 토양특성을 대표하는 토양물리성의 가 필요Database

하다 이러한 토양물리성을 화 하는데는 로외차량 및 작업기의 견인성능 Database

에 영향을 미치는 적절한 토양변수의 선정이 필수적이다 한편 토양물리성을 가장

잘 나타낼 수 있는 적절한 토양변수의 선택은 정확한 토양변수의 측정을 전제로 한

다 그러므로 토양 물리성의 화는 적절한 토양변수의 선정뿐만아니라 정확 database

한 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다 따라서 토양 물리성 측정장치를 개

발하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을 가장 잘 나타낼 수 있는 토양변

수를 측정하고 이로 부터 지역적인 토양물리성의 화는 로외차량 및 작업 database

기의 성능을 예측할 수 있다 이와 같이 토양물리성 를 구축하여 차량 및 database

작업기의 성능을 예측할 수 있을 경우 로외차량 및 작업기의 투입 및 운용뿐만 아

니라 설계에도 크게 기여할 것으로 판단된다

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 45 -

제 절 연구목적2

본 연구의 목적은 로외차량 및 작업기의 견인성능에 영향을 미치는 적절한 토양변

수를 선정하고 토양변수를 정확히 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 개발한

다 한편 개발된 측정장치를 이용하여 국내의 대표적 논토양에 대해 토양물리성을

측정하여 각 지역에 대한 토양물리성을 화 하는데 있다database

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 46 -

제 절 토양의 물리적 특성3

토양의 구성1

토양은 고체 액체 기체의 상으로 되어 있다 고체상은 주로 광물질로서 유기물 3

무기물이 결합한 입자로 되어있고 액상과 기상은 토양의 간극 을 채운다 토 (pole)

입자는 그 크기와 형상에 따라 여러 가지 배열을 하며 을 형성한 (aggregate)粒團

다 을 이루는 토입자는 토양물질의 기초로서 그의 조성비율은 토양의 물리적 固相

화학적 생물학적 특성을 결정하고 식물의 성장에 필요한 수분 공기 열량 양분과

깊은 관계가 있다 이러한 토양의 구성을 그림 에 나타내었다 2-1

자연상태의 흙(a) 이상화한 흙(b)

Fig 2-1 3-phases in soil

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 47 -

토양의 구성을 나타내는 일반적인 항목은 다음과 같다

공극비 토입자의 체적에 대한 간극의 체적비(1) (void ratio)

공극율 흙의 전체 체적에 대한 간극의 체적의 백분율(2) (porosity)

포화도 간극속에 물이 차 있는 정도(3) (degree of saturation)

수분함수율 토입자의 중량에 대한 물중량의 백분율(4) (moisture content)

겉보기밀도 토양의 단위체적당 중량(5) (bulk density or wet density)

건조밀도 토입자의 단위체적당 중량(6) (dry bulk density)

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 48 -

토양의 분류2

흙을 그 성질에 따라 분류하는 것은 매우 중요하다 그러나 흙의 성질을 구체화하

기에는 화학적 물리적 역학적 성질이 너무 복잡하여 그 성질이 관련성이 없는 것

도 많지만 일반적으로 흙의 물리적 역학적 성질을 크게 좌우하는 요인은 토입자의

분포이다 따라서 흙을 분류하는 데는 공학적인 성질에 크게 영향을 주는 입경 즉

토립자의 지름에 의하여 분류하는 방법이 널리 사용되고 있다 흙은 토입자가 크고

작은 것이 혼합되어 있는데 입경에 따라 자갈 모래 또는 사토 미(gravel) ( sand)

사 점토 로 구분한다 이 작은것은 이고 큰 것이 이다(silt) (clay) 平均粒徑 粘土 砂土

이 중간에 들어가는 것이 미사 이며 사토보다 큰 것이 자갈이다 이와 같이 토(silt)

입자의 분포상태를 무게 백분율로 나타낸 것을 입도 라 하고 흙의(soil gradation)

입도분포의 특성을 토성 이라고 한다 흙의 분류방법에는 여러 방법이(soil texture)

있으나 우리나라의 토양분류는 아래 표 과 같이 국제토양학회 분류 나2-1 (ASTM)

미국 농무성분류 에 따르고 있다(USDA)

Table 2-1 Classification systems of soils by grain sizes

구분

알갱이의 지름(mm)

0002 002 02 20

국제토양학회 점토 미사 고운모래 거친모래 자갈

미국농무성 점토 미사매우고운모래

고운모래

보통모래

거친모래

매우거친모래

자갈

0002 005 01 025 05 10 20

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 49 -

한편 어떤 지역의 흙이 어느 토성에 속하는지를 알아보기 위해서는 우선 입도분석

을 통하여 표 에서 주어진 기준으로부터 점토 미사 모래의 조성비율을 구하2-1

고 그림 에서와 같은 삼각도표의 분류도를 적용하여 흙의 종류를 분류한다 2-2

토양의 역학적 성질3

일반적으로 토양에서의 작업 특히 경운작업은 흙의 파괴 를 유발한다 (soil failure)

흙이 파괴되는 현상은 외력의 종류에 따라 달라지며 압축전단 절단 파단의 세 가

지 중의 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다 경운에서 일반적으로 나타나

는 파괴는 압축전단과 절단이다

흙의 파괴상태를 이해하려면 어느 정도의 힘이나 압력에 의해 흙이 파괴되는지를

알아야 한다 압축전단에 대한 흙의 파괴면의 전단강도는 그림 에 나타낸 2-3

의 파괴법칙에 따라 아래의 식 과 같이 수직응력에 관련된 성Mohr-Coulomb (2-1)

분과 흙의 점착력 성분으로 구성된다 수직성분에 관련된 성분은 고체사(cohesion)

이의 마찰력과 유사하므로 이 성분을 내부마찰각 이라 한(angle of internal friction)

다

여기서 τ 토양의 전단강도(N ) C 토양의 점착력(N )

σ 파괴면의 수직응력(N ) φ 토양의 내부마찰각(degree)

그림 에서 점 와 같이 수직응력과 전단응력이 작용하고 있다면 전단파괴는 아2-3 A

직 일어나지 않는다 그러나 와 같이 와 가 같은 점 즉 파괴선에 위치한 값인 B σ τ

경우에는 전단파괴가 일어난다 그리고 파괴선의 위쪽에 위치한 점 는 이미 전단 C

파괴가 일어난 이후로서 이러한 상태는 존재하지 않는다

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 50 -

(a) ASTM (b) USDA

식토C 양토L 사토S 미사토Si 중식토HC

경식토LiC 사질직토SC 미사질식토SiC 식양토CL 사질식양토SCL

미사질양토SiL 사질양토SL 양질사토LS 미사질식양토SiCL

Fig 2-2 Texture triangle for classification of soil mixtures

Fig 2-3 Mohr-Coulombs failure criterion

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 51 -

일반적으로 점토성분이 많이 포함된 토양일수록 점착력의 상대적 비중이 커지고

모래성분이 많이 포함된 토양일수록 내부마찰력이 커진다

한편 토양과 다른 물체 사이에 나타나는 힘으로 외부마찰력이 있다 이것은 일반적

으로 토양과 금속간의 마찰로서 식 와 같은 관계로 나타난다(2-2)

여기서 μ 흙과 금속사이의 외부마찰계수

F 외부마찰력

N 마찰면에 수직한 힘

흙의 외부마찰계수 는 흙의 종류 작업기의 종류 재료의 성질 수직압력 운동속 μ

도 등에 관계가 있다 한편 토양과 금속과 같은 서로 다른 두 물체를 접촉면에 직

각으로 서로 격리할 때 나타나는 힘을 부착력 이라 한다 흙과 금속 사이(adhesion)

의 부착력은 주로 두 물질 사이의 물의 표면장력에 의하여 나타나기 때문에 부착력

은 수분함량에 따라 변한다

작업기와 접촉하는 토양의 강도는 보통 토양의 내부강도보다 작으며 일반적으로

앞의 식 과 같이 표현된 의 파괴법칙을 변형한 식 에 의해 나(2-1) Coulomb (2-3)

타낸다

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 52 -

여기서 τ 작업기와 토양의 접촉부에서 토양의 전단강도 (N )

Ca 토양과 작업기간의 점착력 (N )

σn 수직응력 (N )

φ 토양과 작업기의 표면간의 마찰각

흙의 강도 는 흙이 어떤 특정조건하의 에 저항하는 능력을 말하(soil strength) 作用力

며 일반적으로 흙의 강도를 나타내는데는 일정한 형태의 원추를 흙 표면에 관입하

면서 그에 따른 관입저항력 와 원추의 저면적 와의 비 즉 로서 나타낸다 이p A pA

것을 콘 라 하여 일반적으로 흙의 강도에 대한 지표로 삼는다(cone indexCI) 指數

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 53 -

제 절 토양물리성 측정지역의 선정4

국내 작물재배 지역에 대한 토양물리성의 화는 트랙터 및 부속작업기의database

작업성능을 예측하여 트랙터의 투입 운용 및 설계에 대한 지침 원리를 제공 할 수

있다 그러나 토양물리성 를 구축하는데 있어 우리나라의 전 경지면적을 database

대상으로 할 수는 없으므로 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 있는 주요 작물 생산

지역을 선정하여 를 구축한다 따라서 수도재배의 대표적 지역이라 볼 수database

있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과 밀양 김해 상주 김포

강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경기작업이 주로 수행되는

월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에서(SiCL) 4 18

에 걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 각 지역에 대한 토성 및51 25~40

수분함량을 표 과 에 나타내었다3-1 3-2

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 54 -

Table 3-1 Soil texture and moisture content of paddy fields in Korea

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 55 -

Table 3-2 Soil textures and moisture contents of paddy fields in Korea

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 56 -

제 절 토양변수의 선정5

플라우의 견인저항 예측 모델1

가 차원 모델 2

는 토양 금속 마찰력 전단파괴력 전단파괴되고 있는 토양블록의 가속W Soehne -

력 그리고 토양 절단저항력 등을 이용하여 토양 작업기 역학 모델을 개발 하였으 -

며 와 는 여기에 부착력을 첨가하여 새로운 모델을 제시하였다 Rowe Barnes Rowe

는 새로운 모델개발을 위해 다음과 같은 가정을 하였다

작업기 전면의 토양파괴는 연속적인 전단파괴이다(1)

전면의 토양전단 파괴각은 토양의 내부마찰특성에 의해서만 결정된다(2)

토양의 내부마찰력과 토양 금속 마찰력은 각각 토양전단면과 미끄럼운동면에(3) -

작용하는 법선응력의 선형함수이다

토양은 균일하고 등방성이다(4)

다음의 차원 토양 작업기역학 모델은 과 에 의해 개발된 것2 - Gill Vandenberg(1967)

으로 그림 은 경운날이 전진함에 따라 전단파괴되고 있는 토양블럭에 작용하고 4-1

있는 힘들을 보여주고 있다

힘 CF1과 μN1은 각각 토양점착력과 내부마찰력으로 CF1은 토양의 전단파괴면이

형성될 때에만 존재한다 힘 μN0는 토양과 경운날 사이의 마찰력이고 힘 AF0는

부착력이다 힘 는 토양블럭의 중량이며 힘 는 토양블럭이 경운날면 위를 상승 G B

가속할 때 발생하는 힘이다 토양의 순수 전단저항은 경운날의 선단에서 발생하나

에 의하면 이 힘은 매우 작고 경운날의 선단이 무디거나 토양에 돌이나 유Soehne

기물이 존재할 때에만 중요성을 갖는다 따라서 이번 분석에서 이 항목은 제외되었

다

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 57 -

토양의 전단력은 다음과 같아 표현될 수 있다

여기서 τ 토양의 전단강도=

C 토양점착력=

μ 토양 내부마찰계수=

σ 전단면에서의 수직응력=

그림 에서 토양의 내부마찰계수는 다음 식으로 표시된다4-2

여기서 Φ 토양의 내부마찰각

Fig 4-1 Forces on a soil segment acting on an inclined plane

of tillage tools

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 58 -

Fig 4-2 A Mohr envelope of soil internal stresses

원에서의 각은 실제의 두 배임을 감안하면 그림 에서 수평면과 토양전단Mohr 4-2

면과의 각 β는 다음의 식으로 쓸 수 있다

토양과 경운날 접촉면에서의 전단응력은 토양전단응력과 같은 방법으로 다음과 같

아 나타낼 수 있다

여기서 τ 토양 경운날 접촉면에서의 전단응력 -

A 경운날면의 토양 부착력

토양 경운날 마찰계수 -

σ 토양 경운날 접촉면에서의 수직응력 -

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 59 -

이 경우에는 축과의 교점이 토양 부착력을 나타내고 기울기가 토양과 경운날 사y

이의 마찰계수가 된다

경운날의 전진에 따른 토양의 파괴는 그림 에서와 같이 연속적인 전단에 의한4-3

작은 토양블럭군으로의 파괴로 볼 수 있다 경운날 선단의 토양블럭이 경운날 위로

상승함에 따라 후단의 토양블럭은 지면으로 떨어진다 경운날에서 토양블럭군에 작

용하는 합력을 구함으로서 경운날 전진에 소요되는 견인저항을 구할 수 있다

그림 에 표기된 기호들을 사용해서 토양블럭에 작용하는 힘의 평균식을 구하면4-4

다음과 같다

여기서 B 토양 가속력

C 토양 접착력

F1 토양 전단면의 면적

μ 토양 내부마찰계수

N1 토양블럭 선단의 전단면에 작용하는 수직력

N2 토양블럭 후단의 전단면에 작용하는 수직력

G 토양블럭의 중량

N0 경운날에 대한 토양반력

δ 경기각

β 수평면과 토양 전단면 사이의 각

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 60 -

토양블럭 자중의 법선방향 성분이 무시될 수 있도록 블럭을 작게 한다면 두 수직력

N1과 N2는 같다고 가정할 수 있으며 식 는 다음과 같이 간단하게 나타낼 수(4-5)

있다

식 에서(4-5) B F1 그리고 를 구하면 수직력G N0를 구할 수 있다 토양블럭의 자

중은 다음과 같아 계산되어질 수 있다

여기서 γ 토양의 비중

b 경폭

h 토양블럭의 두께

d 경심

β 수평면과 토양블럭 전단면의 사이각

전단면의 면적은 그림 에서 다음과 같이 계산될 수 있다4-3

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 61 -

Fig 4-3 Formation of soil blocks by repeated shear failure

Fig 4-4 Freebody diagram of a soil slice for 2-D model

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 62 -

토양 가속력은 뉴우톤의 제 법칙으로부터 다음과 같이 계산된다2

여기서 m 가속 토양의 질량

v 가속 토양의 속도

t 시간

토양의 전단파쇄는 주기적으로 발생하는 간헐적 현상이나 본 모델에서와 같이 연속

적으로 발생한다고 가정하여도 전단면을 따라 토양을 가속시키기 위하여 공급된 총

일은 크게 변화되지 않는다 따라서 수평력이 계산되어질 수 있고 정지상태로부터

시간 가 가속된 토양질량은 그 시간동안 움직인 토양의 질량과 같다고 가정하면t

다음과 같다

여기서 γ 토양 비중 b 경폭

d 경심 g 중력가속도

v0 작업기 속도

는 토양의 가속도를 다음과 같이 가정했다Soehne

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 63 -

그림 에서 작업기의 속도4-3 v0는 다음과 같이 결정된다

그리고

식 와 에서(4-12) (4-13) ve를 소거하면

식 를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 얻어진다(4-10) (4-11) (4-14) (4-9)

따라서 식 에서 경운날면에서의 토양반력(4-6) N0가 계산되어진다 그림 의 경 4-5

운날면의 자유체선도 에서 견인력( ) F自由體線圖 x와 수직력 Fz가 각각 결정 된다

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 64 -

식 과 에서의 힘들은 하나의 토양블럭에 작용하므로 전체 경운날면에(4-16) (4-17)

작용하는 힘은 각각의 토양블럭에 작용하는 합력으로 나타내어질 수 있다 경운날

면에서 최선단의 토양블럭은 토양점착력이 작용하여 전단면이 형성되며 다른 토양

블럭에는 토양 내부마찰력만이 작용한다

Fig 4-5 Freebody diagram of an inclined blade

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 65 -

나 차원 모델 3

플라우 쟁기 등의 경운작업기들은 경운날의 선단이 진행방향과 직각을 이루지 않

고 일정한 각도를 가지고 경사져 있다 따라서 앞 절에서 유도된 차원 모델은 차 2 3

원 모델로 수정되어져야만 실제적으로 이용이 가능하다 차원 모델에서는 축에 3 z

대한 경운날의 회전이 고려되어져야 하고 작업기가 전진함에 따라 축에 평행한 방y

향으로 힘이 작용하게 된다 그림 은 경운날이 축의 방향으로 진행할 때의 오 4-6 x

리엔테이션을 보여주고 있다 여기서는 차원의 경운날을 나타내기 위해 두개의 각 3

이 정의된다 δ는 경운날과 평면이 만나는 교선과 축 사이의 각이다x-y x

분석을 용이하게 하기 위하여 각 120593 를 다음과 같이 각 α 와 각 δ 의 함수로 표시

하였다

여기서 120593 은 그림 에서 선 와 선 사이의 각이고 선 는 경운날과4-7 CD CE CD

평면과의 교선에 수직한 경운날상의 선이다 선 는 축과 평행하다x-y CE z

토양의 전단력은 선 에 수직하고 평면으로부터OB x-y β 의 각도로 형성된다고 가

정한다 따라서 토양의 가속도와 점착력은 이 전단면에 작용한다 토양의 자중은 2

차원 모델에서와 같이 계산될 수 있다

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 66 -

Fig 4-6 The orientation of an inclined of tillage tool in 3-D space

Fig 4-7 3-D representation for an inclined plane of tillage tool

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 67 -

경운날 선단의 전단면 면적 F1은 다음과 같이 계산된다

토양가속력은 뉴우턴의 제 법칙에서 다음과 같이 계산되고2

가속된 토양의 질량은 다음과 같다

시간에 따른 속도의 변화를 구하려면 토양의 경운날 위에서의 이동궤적이 고려되어

져야 한다 토양의 절대운동은 선단의 전단면에서 이루어지고 경운날에 대한 상대

이동 거리는 경운날위의 토양에 작용하는 힘들이 알려지면 이론적으로 혹은 실험에

의하여 결정될 수 있다 그림 에서와 같이 토양은 경운날의 이동속도는 전술 4-8 (前

의 토양이 경운날을 가로지르는 속도와 같다고 가정하였다 경운날을 가로지르) 述

는데 걸리는 시간 는 다음과 같이 나타낼 수 있다t

여기서 dp 경운날에서 토양의 이동 거리

v1 경운날의 전진속도

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 68 -

따라서 절대속도 VA는 다음과 같이 나타낼 수 있고

여기서 ds 토양의 전단면에서의 이동 거리

t 거리 ds를 이동하는데 걸리는 시간

그 가속도는 다음과 같이 쓸 수 있다

여기서 V0 초기의 토양속도

t⊿ 속도 V0 에서 VA 까지 변화하는 시간

Fig 4-8 Soil path on the surface of the inclined plane of tillage tool

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 69 -

토양블럭이 초기에 정지상태에 있다고 가정하고 식 와 를 식(4-22) (4-25) (4-21)

에 대입하면 다음과 같다

따라서 식 에서의 변수들이 정의되어 경운날의 토양반력 (4-6) N0가 계산될 수 있

다 차원 모델에서와 같이 자유체선도를 그려보면 축 방향으로 작용하는 힘들을 2

식 와 같이 계산할 수 있다(4-27)~(4-29)

차량의 견인성능2

차량의 주행 및 견인성능을 나타내는 요소는 크게 토양추진력 과 운동저(soil thrust)

항 으로 대별된다 엔진으로부터 주행장치에 전달된 구동에너지(motion resistance)

는 주행부에 전달되고 이것에 의해 토양추진력이 나타난다 이러한 토양추진력은

차량이 주행 및 견인을 위해 나타낼 수 있는 최대견인력(maximum tractive force)

으로서 주행부와 지면의 상호작용에 의한 토양의 전단에 의해 나타난다 한편 이러

한 토양추진력은 모두 견인력으로 나타나지 못하고 그 일부는 주행부가 토양의 저

항을 극복하는데 소비되는 운동저항으로 나타난다 따라서 차량의 성능은 아래의

식과 같이 토양추진력에서 운동저항을 뺀 견인력 으로 나타낼 수 있(drawbar pull)

다

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 70 -

여기서 DP 주행장치의 견인력 (drawbar pull)

H 토양추진력 (soil thrust)

R 운동저항 (motion resistance)

차량의 견인성능은 주행부 토양 접지면에서의 수직압력과 전단응력에 밀접한 관련-

이 있다 즉 차량의 운동저항은 주행부의 침하를 유발하는 접지압에 관계되고 추

진력은 주행부 토양의 전단응력 특성에 관계된다-

따라서 차량의 성능은 최대 토양추진력과 최소 운동저항을 갖도록 설계할 때 가능

하며 이것은 토양 궤도 설계변수간의 관계를 정확히 구명할 수 있을 때 예측할 수 -

있다

가 궤도형 차량의 견인성능

임의의 슬립하에서 궤도형차량의 수직압력과 전단응력 분포를 결정하면 차량의 견

인성능을 예측할 수 있다 일반적으로 로외차량 의 견인 성능은 (off-road vehicle)

슬립의 함수로서 추진력에서 운동저항을 뺀 견인력으로 나타낸다

운동저항1)

토양이 적당한 깊이까지 균일한 성분으로 구성되어 있다고 가정하면 압력 침하 관 -

계는 식 과 같이 의 압력 침하식에 의해 다음과 같이 정의된다(4-31) Bekker -

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 71 -

여기서 p 압력

b 평판의 작은 폭의 길이

z 침하

n kc kφ 압력 침하 변수 -

한편 궤도형차량이 임의의 침하깊이에서 토양에 작용하는 수직압력은 평판 침하시

험에서 같은 침하깊이의 평판에 작용하는 압력과 같다 그러므로 의 압력 침 (4-31) -

하식으로부터 궤도의 침하 은 식 와 같이 나타낼 수 있다 z (4-32)

여기서 p 수직압력 b 궤도 폭

z 궤도의 침하 l 궤도의 길이

W 차량의 무게 n kc kφ 압력 침하 변수 -

궤도형 차량의 운동저항 Rt는 지면과 접지한 궤도가 운동함에 따라 수직압력의 수

평성분으로 부터 결정된다 두 궤도를 갖는 차량의 운동저항 Rt는 다음과 같이 표

현된다

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 72 -

여기서 b 궤도 접지폭 Lt 토양과 접촉한 궤도길이

p 수직압력 a 궤도와 수평선과의 각

추진력2)

차량의 추진력은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 의해 결정-

된다 궤도아래 전단응력분포를 예측하기 위해서는 토양의 전단응력 변위 관계를 -

알아야 한다

궤도형차량의 견인성능은 궤도 토양 접지면에 관한 수직압력과 전단응력 분포에 밀-

접하게 관련된다 따라서 궤도 아래의 전단응력 분포를 예측하기 위해서는 전단응

력 전단변위 관계 전단력 토양의 전단하중에 대한 반응등을 알아야 한다 이것은-

전단시험 을 통해 구할 수 있다 시험을 통해 전단링의 각변위와 토크가(shear test)

측정되고 이것으로 부터 전단응력 변위관계를 구할 수 있다 토양의 전단응력 전 - -

단변위 관계는 일반적으로 그림 와 같이 나타난다 한편 측정된 전단응력 전단4-9 -

변위 관계는 가 제안한 식 에 의해 근사화할 수 있다Janosi and Hanamoto (4-34)

여기서 τ 전단응력 (kPa) τmax 최대전단응력 (kPa)

j 전단변형 (cm) K 토양전단곡선의 변형상수 (cm)

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 73 -

Fig 4-9 A Shear curve of a simple exponential form

수직 압력하에서 측정한 전단응력 전단변위 곡선을 토대로 최대 전단응력과 수직-

압력 사이의 관계를 유도할 수 있다 많은 토양형태에 대해 최대전단응력 Smax과

수직압력 의 관계는 의 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다p Mohr-Coulomb

여기서 점착력 내부마찰각 c φ

주어진 토양 위에서 궤도 토양 접지면의 주어진 한 지점에서의 전단응력은 전단이-

나 그 지점에서의 수직압력이 시작하는 지점으로부터 측정된 전단변위의 함수이다

아래 그림 에 나타난 유연한 궤도 아래에서 발생한 전단변위는 슬립속도4-10 Vj를

분석함으로써 구할 수 있다

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 74 -

토양표면에 비해 유연한 궤도에 대해 지점의 슬립속도P Vj는 그림 에 나타난4-10

바와 같이 절대속도 Va의 접선성분이다 슬립속도 Vj의 크기는 다음과 같다

여기서 r w 의 반경 각속도 sprocket

i 궤도 슬립

a 점에서 궤도접선과 수평선 사이의 각 P

Vt 차량의 이론 전진속도 즉 ( Vt=rw)

V 차량의 실제 전진속도

Fig 4-10 Slip velocity of a point on track in contact with terrain

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 75 -

따라서 궤도 토양 접지면에서 전단변위 는 다음과 같다- j

여기서 i 지점과 전단 또는 재전단 이 시작되는 지점간의 거리 P ( )

x 지점과 초기전단 또는 재전단 지점 사이의 수평거리 P ( )

토양의 전단응력 전단변위 관계가 식 에 의해 표현되면 이 때 전단응력 분- (4-34)

포는 다음과 같다

여기서 p(x) x의 함수로서 궤도의 수직압력

견인력 는 토양과 접촉하는 궤도에 작용하는 전단응력의 수평성분으로부터 계산F

된다

여기서 τ 궤도와 토양사이의 전단응력

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 76 -

순견인력 Fd는 견인력과 전체 운동저항의 차로 표현하므로 다음과 같이 나타낼 수

있다

나 휠형 차량의 견인력

운동저항1)

접촉구역에서의 모든 점에서 토양반력은 완전히 반경 방향이고 평판 침하시험에서 -

같은 깊이의 수평평판 아래에서의 수직압력과 같다고 가정하였다 그림 에 나 4-11

타낸 바와 같이 휠에 작용하는 평형방정식은 다음과 같아 나타낼 수 있다

여기서 Rc 운동저항 W 수직하중 σ 법선 압력

b 휠의 폭 r 휠의 반경

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 77 -

Fig 4-11 Simplified wheel-soil interaction model

휠에 작용하는 법선압력 는 같은 깊이 에서 평판 아래 수직압력과 같다고 가정하zσ

였으므로 이고 이다 r sin d = p dz r cos d = p dx σ θ θ σ θ θ

의 압력 침하식을 이용하면 운동저항Bekker - Rc는 다음과 같이 나타낼 수 있다

위의 식 로부터 운동저항을 계산하려면 침하(4-42) z0를 휠변수와 토양변수의 항

으로 나타내어야 한다 식 로부터 수직하중 는 식 과 같이 된다 (4-41) W (4-43)

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 78 -

식 을 휠 직경 와 침하(4-43) D z0의 항으로 나타내면 식 와 같이 된다 (4-44)

따라서 식 를 정리하여 침하(4-44) z0를 구하면 아래의 식 와 같이 나타낼(4-45)

수 있다

식 의(4-45) z0를 식 에 대입하면 운동저항(4-42) Rc를 식 과 같이 휠변수(4-46)

와 토양변수의 항으로 나타낼 수 있다

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 79 -

추진력2)

추진력을 구하기 위해서는 추진력과 슬립간의 관계를 규명해야 한다 추진력과 슬

립간의 관계를 평가하기 위하여는 먼저 휠 토양 접촉면에 대한 전단변위를 계산해-

야 한다 휠의 접촉면적을 따라 나타나는 전단변위는 그림 에서와 같이 슬립 4-12

속도 Vj를 해석함으로서 구할 수 있다

지형과 관련된 휠의 임의의 한 점의 슬립속도 Vj는 같은 점에서의 절대속도의 접선

성분이다 그림 에서 각 로 정의된 휠 위의 한 점의 슬립속도 4-12 Vθ j의 크기는 식

과 같이 나타낼 수 있다 한편 휠의 슬립속도는 각 와 슬립에 따라 변한(4-47) θ

다

Fig 4-12 Slip velocity of a point on the tire circumference

in rigid operation mode

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 80 -

휠 토양 접촉면을 따라 전단변위 는 다음과 같이 나타낼 수 있다- j

여기서 θ0는 휠의 한 점이 토양과 접촉하는 각을 나타내는 휠의 진입각(entry

을 나타낸다angle)

앞에서 서술한 전단응력 전단변위 관계를 토대로 하여 휠의 접촉면적을 따라 전단-

응력 분포를 결정할 수 있다

가 제안한 식 에 의해 전단응력분포는 다음과 같이Janosi and Hanamoto (4-34)

나타낼 수 있다

휠을 따라 작용하는 수직압력분포 는 앞에서 서술된 방법에 의해 구할 수 있p( )θ

다 따라서 휠의 추진력은 다음과 같이 구할 수 있다

그러므로 휠차량의 견인력 DPw는 다음과 같이 구할 수 있다

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 81 -

토양변수 선정3

앞에서 구한 플라우 및 차량의 견인저항 및 견인성능 예측 이론을 토대로 하여 토

양물리성 화를 위한 토양변수를 선정하였다database

위의 예측 이론으로부터 플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마

찰각 등이 견인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량의 견인성능

에는 점착력과 내부마찰각 그리고 차량의 침하에 관련하여 kc kφ 등이 성능에 n

영향을 주는 주요 토양변수로 나타났다

한편 로타리 경운의 경운저항 예측에는 토양비중이 중요한 토양변수로서 간주되고

있다

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 82 -

제 절 토양 물리성 측정장치 개발6

설계배경1

차량의 주행 및 견인성능과 작업기의 견인저항은 차량 작업기 토양간의 상호작용에 -

의해 나타난다 따라서 이러한 성능은 차량 및 작업기의 설계 인자 뿐만 아니라 토

양의 물리적 특성을 나타내는 토양변수에 종속적이다 그러므로 견인 성능에 영향

을 미치는 적절한 토양변수를 선정하여 정확히 측정할 경우 견인성능의 예측을 가

능하게 한다 즉 각 지역의 토양물리성을 나타내는 토양변수를 정확히 측정하여

각 지역에 대해 토양물리성을 화 할 경우 차량 및 작업기의 투입과 적정database

운용 및 설계에 기여할 수 있다 그러나 이것은 토양변수의 정확한 측정을 전제로

하여 이루어질 수 있기 때문에 토양물리성 측정장치의 개발이 필수적이다

장치의 구성2

토양 물리성 측정장치는 크게 개의 독립된 시스템 즉 압력 침하 시험장치2 -

와 전단 시험장치(pressure-sinkage or plate test) (shear test or shear

로 구성되어 있다 한편 측정장치는 측정의 용이성과stress-stress displacement)

기동성 및 측정장치에 동력 공급을 위하여 기계 주 의 모델인 농업용 소형 굴삭LG ( )

기에 장착하도록 구성되었다

가 압력 침하 시험장치 -

압력 침하 시험장치는 측정장치의 저부에 임의 크기의 평판을 부착한 후 유압에 의-

해 평판에 하중을 가한 후 하중에 대응하는 평판의 침하량을 측정한다

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 83 -

이와 같이 하중에 대응하는 평판 침하량의 측정치로부터 평판의 압력 침하관계 특-

성을 구한다 이러한 압력 침하 특성은 차량의 침하량 및 접지압을 예측하여 운동 -

저항과 주행 및 견인성능을 예측할 수 있다

측정장치는 차량의 유압원으로부터 유압실린더를 이용하여 하중을 가해주고 하중

측정은 일본 사 제품인 용량 의 로드셀 을 사용하였다 한편 하NTS 1-ton (LRM-1T)

중에 대응하는 평판의 침하량 측정은 일본 사 제품의 회전형 가변저항 타입MIDORI

인 포텐쇼미터 에 회전형 풀리를 부착하여 풀리의 회전각에 따(HP-7 5-turn-2k )Ω

른 포텐쇼미터의 저항값 변화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정하며 측정 가

능한 최대 침하량은 약 이다 그림 에 압력 침하 장치를 나타내었다40cm 5-1 -

압력 침하 특성에 사용된 평판은 측정장치가 장착된 차량 무게와 유압실린더의 출-

력을 고려하여 최대 크기의 평판에 이상의 압력이 가해질 수 있도록 평판1 kg

의 크기 면적 를 결정하였다( )

평판은 종류의 직사각형평판 과 종류의 원형평판9 (rectangular plate) 6 (circular

을 제작하여 사용한다 표 에 압력 침하 시험에 사용된 평판의 종류및 치plate) 5-1 -

수를 나타내었다

Table 5-1 Type and dimension of plates used for pressure-sinkage test

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 84 -

Fig 5-1 Schematic view of a pressure-sinkage test device

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 85 -

한편 토양강도 변수를 측정하기 위해 평판부착부를 착탈식으로 제작하여 평판 대

신에 저부의 관입 각도가 이고 저면적이 각각 와 인 쐐기형의 종류의30deg 2 6 2

콘을 부착하여 임의의 관입깊이에 따른 토양의 관입저항을 측정할 수 있도록 하였

다 이 장치는 토양 경반의 깊이 및 토양강도를 나타내는 변수인 콘지수 (Cone

를 측정할 수 있다IndexCI)

나 전단링 시험장치

전단링 시험장치는 원형의 전단링 또는 마찰링을 부착한 후 임의 하중을 가하여

전단링을 회전시켜 토양이 파괴될 때까지의 전단링 또는 마찰링 의 회전토크 마찰토( ) (

크 를 측정한다 이와 같이 임의의 하중하에서 측정한 전단토크로부터 토양의 전단)

및 마찰특성 그리고 전단응력 변위 관계를 구할 수 있고 차량의 견인력 및 작업 -

기의 견인저항을 예측할 수 있다

하중 및 침하량 측정은 압력 침하 시험장치와 같은 형태의 시스템으로 구성되어 있-

고 측정 가능한 최대 침하량은 약 이다 40cm

토양의 전단토크 측정은 일본 사 제품의 용량 인 비회전 타입의 토크NTS 10kgf-m

센서 를 이용하여 저부의 전단링 또는 마찰링 과 축으로 연결된 토크센서(TCF-10T) ( )

에 장착된 회전봉을 이용하여 회전토크를 가하후 토크센서에 나타나는 회전토크를

측정한다 한편 전단변위는 전단링에 의해 토양이 파괴되는 순간에 전단링의 회전

각을 일본 사 제품의 회전형 가변저항타입인 포텐쇼메타MIDORI (HP-7

에 회전형 풀리를 이용하여 회전각에 따른 포텐쇼미터의 저항값 변-10-turn-2k )Ω

화에 대한 변위관계를 측도설정하여 측정한다 그림 에 압력 침하 장치를 나타 5-2 -

내었다

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 86 -

Fig 5-2 Schematic view of a shear test device

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 87 -

한편 측정장치를 이용하여 구한 토양의 물리적 특성치는 에 자동 저장되도IBM PC

록 구성한다 표 에 각 구성장비의 사양을 나타내었고 그림 에 토양물리성 5-2 5-3

측정장치의 자료수집 시스템의 흐름도를 나타내었다 한편 측정장치를 이용한 시험

방법에 따라 측정되는 토양변수를 표 에 나타내었다5-3

Table 5-2 Specification of instruments used for test device

ITEM Model Manufacturer Specification

Loadcell LRM-1T NTSJAPAN

tension amp compressionmaximum capacity 1000kgoutput 2mVV plusmn1non-linearity 005

Torque-meter

TCF-10K NTSJAPAN

maximum capacity 10kgfmoutput 1mVV plusmn1non-linearity 03

Pontentio-meter

HP-7(5turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 1800degmechanical travel 1800degnon-linearity 01resolution 0018

HP-7(10turn-2k )Ω

MIDORIJAPAN

electrical travel 3600degmechanical travel 3600degnon-linearity 01resolution 0018

IO Board AX-5412 Yoi-Auto-SystemKOREA

resolution 12 bitAD Ch 16SE 8DIsampling rate 90kHz

Strainamplifier

DPM-711B KYOWAJAPAN

Channel 3Gain 1 2 5 10 20 50100times100μεOutput-V plusmn5V into 5kΩ

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 88 -

Fig 5-3 Block diagram of data acquisition system by soil properties

measuirement device

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 89 -

Table 5-3 Test types and soil parameters of measurent device

for soil physical proprties

시험형태 토양변수 단위

콘관입시험개의 대 소(2 Cone )

콘지수(CI) kgfcm2

평판침하시험사각 또는 원형평판( )

침하지수(n) 무차원

토양변형지수(kc) kNmn+1

토양변형지수(kφ) kNmn+2

전단시험돌기부가 달린 원형링( )

점착력(c) kgfcm2

내부마찰각 또는 전단저항각( )φ degree( deg)

전단응력(S) Pa

최대전단응력(Smax) Pa

전단변위(j) cm

최대전단응력에서의 전단변위(jn) cm

토양변형지수(K) cm

마찰시험돌기부가 없는 원형링( )

부착력(a) kgfcm2

외부마찰각 또는 마찰저항각(φa) degree( deg)

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 90 -

제 절 결 론7

토양물리성의 화를 위해 트랙터 작업이 많이 수행되어지고 수도 재배1 database

의 대표적 지역이라 볼 수 있는 이리 남양간척지 여주 평택 수원 아산만 지역과

밀양 김해 상주 김포 강화지역을 선정하여 수분함량과 토성을 측정하였으며 경

기작업이 주로 수행되는 월과 월에 걸쳐 수도포장을 대상으로 측정되었다3~5 10

조사지역의 토성은 미사질양토 가 곳 양토 가 곳 사질양토 가 곳(SiL) 27 (L) 6 (SL) 5

미사질식양토 가 곳 이었다 한편 이 지역의 토양 수분함량은 약 에(SiCL) 4 18~51

걸쳐 분포하였으며 주로 의 범위였다 25~40

플라우 및 차량의 견인성능에 영향을 미치는 주요 토양변수를 구명하여2

화에 적합한 토양변수를 선정 하였다database

플라우의 견인저항은 점착력 내부마찰각 부착력 외부마찰각(c) ( ) (a) (φ φa 등이 견)

인저항에 크게 영향을 미치는 토양변수로 나타났고 차량은 점착력 과 내부마찰각 (c)

( ) kφ c kφ 등이 견인성능에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다 한편 로타리 n

경운의 경운저항 예측에는 토양비중 이 중요한 토양변수로 간주되었다(y)

위에서 선정된 토양변수를 측정할 수 있는 토양물리성 측정장치를 설계하였다3

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 91 -

제 장 결 론4

한국형 의 설계 기술력 토착화를 통해서만이 외국 제품과 경쟁에서 살아TRACTOR

남을 수 있다 한국 토양 및 작업조건에 맞는 의 개발 즉 작업 특성별 TRACTOR

전용 의 개별 주요재배 작물별 토양 특성에 맞는 개발 등이 그것인데 이TM TM

를 위해서는 의 운전조건 및 작업 조건별로 실 작업시의 엔진 각 차축TRACTOR

축등 주요 동력 전달 계통상의 부하 정도를 계측하여야 한다 또한 이때 측정PTO

된 측정값은 토양물성 등의 조건들을 함께 포함하여 분석함으로써 실제 부FACTOR

하량으로 가치가 있는 것이다 본 연구에서는 역학적 특성 해석을 바탕 TRACTOR

으로 부하 계측용 및 취득 장치를 개발하고 한국형 의SENSOR DATA TRACTOR

시험기준 선정에 필요한 모든 요인들을 계측 할 수 있는 종합 측정 을 구SYSTEM

축하였다 또한 의 작업 성능에 필요한 토양의 물성 를 확보하기 위 TRACTOR DATA

해 토양도 분석을 통한 측정 지역을 선정하고 토양물성 측정 장치를 개발하고 지역

별 토양 특성을 수집하여 화 하였다DATA BASE

이와 같이 측정 분석한 와 부하로서의 토양물성을 통해 손상누적에 의한 수명DATA

을 예측할 수 있는 여러 인자에 대한 정보를 확보함으로써 한국형 의 설TRACTOR

계 및 시험기준을 확립하기위한 기반을 구축했다

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 92 -

참 고 문 헌

김기대외 인 를 이용한 에 관한1 1 1982 Microcomputer Data Acquisition System

연구 한국농업기계학회지 7(2)p18-29

농업기계검사연보 농촌진흥청 농업기계화 연구소2 1995

류관희외 인 엔진토크의 간접적인 측정 방법에 관한 연구 한국농업기3 1 1991

계학회지 16(1)p1-8

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한4 2 1987

연구 엔진성능시험과 데이터수집의 자동화 한국농업기계학회지(I)- 12(3)p7-16

류관희외 인 마이크로컴퓨터를 이용한 엔진 성능시험의 자동화에 관한5 2 1989

연구 모의 부하시험 시스템의 구성 및 평가 한국농업기계학회지(Il)- 14(1)p1-7

류관희외 인 트랙터의 포장성능평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개6 4 1985

발 한국농업기계학회지 10(2)p19-26

박준걸 쟁기의 경운저항력 측정 및 예측에 관한 연구 서울대학교 대7 1992 ldquo rdquo

학원 박사학위논문

유영선 트랙터의 포장성능 평가를 위한 자료수집처리 시스템의 개발 서8 1986

울대학교 석사학위 논문

이규승 정창주 이용국 박승제 농용차륜의 성능평가를 위한 인공토조9 1988 ldquo

시스템의 제작 및 자료모집 시스템의 구성 한국농업기계학회지rdquo 13(2) 28-37

이성철 정밀계측공학 동명사10 1995

정창주외 인 농업동력학 문운당11 2 1992

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 93 -

최창현 단일보드 마이크로 컴퓨터를 이용한 자료 수집장치 한국농업기12 1989

계학회지 14(4)p221-228

13 Aura E 1983 ldquoSoil Compaction by the Tractor in Spring and its Effect

on Soil Porosityrdquo Journal of Scientific Agricultural Society of Finland Vol

55

14 Bekker MG 1956 Theory of Land Locomotion the University of

Michigan Press

15 Bekker MG 1969 ldquoIntroduction to Terrain Vehicle Systemrdquo the

University of Michigan Press

16 Chancelloer W J D Wulfsohn J L Glancey 1987 Sources of

variability in traction data ASAE PAPER 87-1501

17 Choi C H and D C Erbach Data acquisition system rolling coulter

performance ASAE PAPER 83-115

18 Chung Y G S J Marley W F Buchele 1983 A data acquisition

system for tractor field performance ASAE PAPER 83-120

19 Colvin T S and S J Marley 1987 An instrumentation system for

measuring tractor field performance ASAE PAPER 87-121

20 E B Maclaurin 1987 Soil-Vehicle Interaction Journal of

Terramechanics Vol 24(4) 281-294

21 Gee-Clough D 1980 Selection of Tyre Sizes for Agricultural Vehicles

Jounal of Agricultural Engineering Research Vol 25 No3

22 Gill W R and G E Vanden Berg 1968 ldquoSoil Dynamics in Tillage and

Tractionrdquo USDA

23 Green M K and S W Searcy 1983 Instrumentation package for

monitoring tractor performance ASAE PAPER 83-1562

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 94 -

24 Grevis I W D R Devoe P D Bloome D G Batchelder B W

Lambert 1983 Microcomputer-based data acquisition for tractors

Transactions of the ASAE 692-695

25 Grevis I W P D Bloome 1982 A tractor power monitor ASAE PAPER

595-597

26 Grisso D R L M David and J S Geoffrey 1987 What information

helps a farmer purchase a tractor ASAE PAPER 87-120

27 Gui X Q C E Goering and N L Buck 1988 Theory of optimal

tractor operation control ASAE PAPER 88-1061

28 Hendrick J G C E Johnson R L Schafer J D Jarrell 1981 A

Microprocessor-based field data acquisition system ASAE PAPER 81-1577

29 Lesile L Karafiath Edward ANowatzki 1978 ldquoSoil mechanics for off-road

vehicle engineeringrdquo Travs Tech Publications

30 Mckyes E 1989 ldquoAgricultural Engineering Soil Mechanicsrdquo Elsevier

Publishers

31 Okello JA 1991 ldquoA Review and Selection of Soil Strength

Characterisation Techniques for Prediction of Terrain Vehicle Performancerdquo

Journal of Agricultural Engineering Research Vol50 No 2 129-155

32 Onafeko O and A R Reece 1967 Soil Stresses and Deformation

Beneth Rigid Wheels Journal of Terramechanics 4(1) 59-80

33 Perumpral J V J B Liljedahl and W H Perloff 1971 ldquoA Numerical

Method for Predicting the Stress Distribution and Soil Deformation under a

Tractor wheelrdquo Journal of Terramechanics 8(1)

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 95 -

34 Reynolds W R G E Miles T H Garner 1982 Data acquisition and

processing in the field ASAE PAPER 82-5510

35 Richey S B 1987 ldquoThe Computer-Aided Design og Moldboard Plow

Surfaces Using Three Dimensional Graphic Techniquesrdquo M S Thesis

Michigan State Univ

36 Sakai J K Nakaji J Liu 1989 PTO performance analysis on small

riding tractors Transactions of the ASAE 20(4)9-14

37 Siyami S 1986 Microcontroller based data acquisition system for impact

measurement ASAE PAPER 86-3031

38 Tathuro Muro 1989 Tactive Performance of a Bulldozer Running on Weak

Ground Jounal of Terramechanics Volume 26 Number 34 249-273

39 Tompkins F D L R Wilhelm 1982 Microcomputer-based tractor data

acquisition system Transactions of the ASAE 1540-1543

40 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey 1986

ldquoDevelopment of a Unique Mobile Single Wheel Traction Testing Machinerdquo

Trans of the ASAE 29 1243-1246

41 Upadhyaya S K W J Chancellor D Wulfsohn J L Glancey 1987

Sources of variablility in traction ASAE PAPER 87-105

42 Wang G R L Kushwaha and G C Zoerb 1989 Traction performance

of a model 4WD CSAE PAPER 88-203

43 Wong J Y 1984 ldquoOn the Study of Wheel-Soil Interactionrdquo Journal of

Terramechanics 21(2) 117-131

44 Wong J Y 1989 ldquoTerramechanics and off-road vehiclesrdquo Elsevier

Publishers

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌

- 96 -

45 Wong J Y 1993 ldquoTheory of Ground Vehiclerdquo John Wiley amp Sons New

york

46 Wong J Y Garber M Preston-Thomas J 1984 ldquoTheoretical Prediction

and Experimental Substantiation of the Ground Pressure Distribution and

Tractive Performance of Tracked Vehiclesrdquo Proceedings of the Institution of

Mechanical Engineers Vol 198D No 15

47 Wulfsohn D S K Upadhyaya and W J Chanceller 1988 ldquoTractive

Characteristics of Radial Ply and Bias Ply Tyres in a California Soilrdquo Journal of

Terramechanics 25(2) 111-134

48 Yong R N E A Fattah and N skiadas 1984 ldquoVehicle Traction

Mechanicsrdquo Elsevier Amsterdam

49 Keiji Kogure Yoshinori Ohiri Hareyuki Yamaguchi 1982 ldquoA Simplified

Method for the Estimation of Soil Thrust Exerted by a Tracked Vehiclerdquo

Journal of Terramechanics Volume 19 Number 3 165-181

• 제 1 장 서 론
• • 제 1 절 연구배경
  • 제 2 절 연구 필요성
  • 제 3 절 연구목표
  • • 제 2 장 TRACTOR 부하계측 SYSTEM 개발
    • • 제 1 절 연구배경
      • 제 2 절 연구목표
      • 제 3 절 연구사
      • 제 4 절 이론적 배경
      • 제 5 절 재료 및 방법
      • • 1 실험재료
        • 2 실험방법
        • • 제 3 장 토양물성 DATA BASE 개발
          • • 제 1 절 연구배경
            • 제 2 절 연구목적
            • 제 3 절 토양의 물리적 특성
            • • 1 토양의 구성
              • 2 토양의 분류
              • 3 토양의 역학적 성질
              • • 제 4 절 토양물리성 측정지역의 선정
                • 제 5 절 토양변수의 선정
                • • 1 플라우의 견인저항 예측 모델
                  • 2 차량의 견인성능
                  • 3 토양변수 선정
                  • • 제 6 절 토양 물리성 측정장치 개발
                    • • 1 설계배경
                      • 2 장치의 구성
                      • • 제 7 절 결 론
                        • • 제 4 장 결 론
                          • 참 고 문 헌