Evaluation of PTO Severeness for 78 kW-Class Tractor According to Disk Plow Tillage and Rotary Tillage

ISSN 2671-7972(print) ISSN 2671-7980(online) http://dx.doi.org/10.7839/ksfc.2019.16.4.023

디스크플라우 및 로타리 작업에 따른 78 kW급 트랙터 PTO 가혹도 평가 Evaluation of PTO Severeness for 78 kW-Class Tractor

According to Disk Plow Tillage and Rotary Tillage

김완수

․김용주

․박성운

․홍순중

․김연수

Wan Soo Kim

, Yong Joo Kim

, Seong Un Park

, Soon Jung Hong

and Yeon Soo Kim

Received: 10 Oct. 2019, Accepted: 06 Nov. 2019

Key Words：Agricultural Tractor(농업용 트랙터), Load Spectrum(부하 스펙트럼), Damage Sum(손상합), Relative Severeness(상대 가혹도)

Abstract: The purpose of this study was to evaluate the PTO severeness for an agricultural tractor during disk plow and rotary tillage. The PTO load measurement system was constructed with data acquisition and a PTO torquemeter. Field experiments were conducted at a combination of traveling speed (L3 Low, L3 High) and PTO speed (P1, P2). The load spectrum was generated using the rain-flow counting method, and the SWT method was used to consider the range and mean of the PTO load. The damage sum was calculated by applying a modified miner rule, which is a cumulative damage law. The relative severeness was expressed as the ratio of the lowest damage sum. Relative severeness was higher with the lower PTO gear stage, and higher driving gear stage and it was approximately 40-102 times higher for rotary tillage than disk plow tillage in the same gear stages. The relative severeness was 1010.12 in the rotary tillage under L3 High P1 based on the disk plow tillage under L3 Low P2.

* Corresponding author: [email protected]

1 Department of Biosystems Machinery Engineering, Chungnam National University, Daejeon, 34134, Korea

2 Research and Development Institute, Tongyang Moolsan Co.

Ltd., Gongju, 32530, Korea

3 Department of General Education, Korea National College of Agriculture and Fisheries, Jeonju 54874, Korea

4 Convergence Agricultural Machinery Group, Korea Institute of Industrial Technology (KITECH), Gimje 54325, Korea

Copyright Ⓒ 2019, KSFC

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기호 설명



: equivalent torque, Nm



: range of torque, Nm



: mean of torque, Nm



: total number of cycles of torque, cycles

 : number of cycles of measured torque, cycles/s

 : entire life of the tractor, year

 : annual usage time of tractor, h/year

 : stress, MPa

 : diameter of shaft, mm



: number of cycles at stress, cycles



: number of cycles of measured value at i, cycles



: fatigue life of materials at i, cycles

 : damage sum

1. 서 론

국내 농업용 트랙터는 대당 작업면적 18.9 ha, 가

동율 74.3%로

이앙기, 콤바인 등과 같은 주요 농작

업기계 중 사용 빈도가 매우 높으며, 그 비율은 점차

증가하고 있다.

농업용 트랙터는 부착작업기에 따

라 경운, 정지 및 운반 등 다양한 농작업을 수행한

다.

트랙터는 부착작업기의 단순 견인뿐만 아니라

동력취출장치(Power-take off, PTO)를 통하여 작업기

구동에 필요한 동력을 전달한다. 특히 78 kW 이상 급 대형 트랙터의 경우 PTO를 이용한 디스크플라 우, 로타리, 베일러 작업 등과 같은 고부하 농작업 에 주로 사용된다. 트랙터는 농작업에 따라 크기가 크고 불규칙한 변동 하중을 받으므로 신뢰성 확보 와 내구성 관점에서 매우 취약하며, 트랙터 PTO 축 에서는 가장 큰 변동 부하의 특징을 나타낸다.

PTO 최적 설계를 위해서 농작업 시 발생하는 트랙 터 PTO의 부하 데이터를 계측하고 가혹도를 분석하 는 것이 필요하다.

농작업에 따른 트랙터의 가혹도 에 관한 연구는 수행된 사례가 있으나, 대부분 주행 속도가 변속기의 가혹도에 미치는 영향에 관한 연 구가 주를 이루었다.

Kim 등(1998) 은 주요 농작 업에 따른 변속기 입력축의 부하를 계측하고 가혹 도를 분석하였으며, 그 결과 가혹도가 가장 낮은 도 로 운반 작업 대비 로타리 작업이 94.7배 가혹하게 나타났다고 보고하였다.

Han 등(1999) 은 일반 농 지와 습답에서의 로타리 작업에 따른 변속기 입력 축 가혹도를 평가하였으며, 습답에서 일반 농지 대 비 2~10배 가혹하다고 보고하였다.

PTO 부하 가혹 도에 관한 연구는 일부 수행되었으나, 대부분 40 kW급 미만의 트랙터를 대상으로 하였다.

Kim 등 (2011) 은 30 kW급 트랙터의 로타리 경운 작업 시 PTO 변속 단수에 따른 PTO 가혹도를 평가하였으 며, 그 결과 PTO 1단 대비 2단의 가혹도가 더 높게 나타나, PTO를 저속으로 작업하는 것이 수명에 더 유리하다고 보고하였다.

위와 같은 선행연구를 볼 때, 가혹도 평가는 동력전달시스템의 수명 평가 및 최적 설계 등에 활용이 가능할 것으로 판단되나, 아 직까지 78 kW급 대형 트랙터의 PTO 가혹도에 관한 연구는 부족한 실정이다.

이는, 국내 트랙터의 주 요 생산 기종이 78 kW급 이하에 집중했기 때문으로 판단된다.

그러나, 전 세계적인 농업 환경의 대 형화 및 규모화 등을 고려할 때, 지속적으로 시장 규모가 성장하고 있는 78 kW급 트랙터의 농작업 부 하에 관한 연구는 필요한 실정이다.

따라서, 본 연구는 국내 78 kW급 트랙터에서 가장 빈번하게 사용되는 디스크플라우 및 로타리 작업 시 트랙터 PTO 부하 가혹도를 평가하기 위하여 수행되 었으며, 주요 목적은 1) PTO 토크 데이터 수집 시스 템 개발 및 필드시험을 통한 부하 데이터 수집, 2) 부하 스펙트럼 및 손상합 분석, 3) 디스크플라우 및 로타리 작업에 따른 PTO 부하 가혹도 평가를 수행하 는 것이다.

2. 부하 계측 시스템 및 필드시험

2.1 트랙터 동력전달시스템

트랙터 동력전달시스템은 Fig. 1과 같이 구성되어 있으며, 엔진 동력은 트랙터 구동을 위한 구동축 (Driving axle), 부착작업기에 동력을 전달하기 위한 PTO축(PTO axle), 작업기 승하강을 위한 주 유압 펌 프, 조향 및 윤활을 위한 보조 유압 펌프로 분기되어 사용된다. PTO는 트랙터로부터 부착 작업기에 회전 력을 기계적으로 전달하기 위한 장치로서 최초의 표 준위치는 후방(Rear PTO)이였으나, 최근에는 목적에 따라 전방(Front PTO) 및 중간(Mid PTO)위치에 설치 하는 경우도 있다. 본 연구에서는 후방에 PTO가 설 치된 트랙터를 사용하였다.

Fig. 1 Schematic diagram of tractor power transmission system

2.2 부하 계측 시스템

본 연구에서는 78 kW급 대형 트랙터(S07, TYM Co Ltd., Korea)를 사용하였다. 트랙터 PTO의 최대 출력은 2300 rpm에서 69 kW이며, 정격 토크는 1단 및 2단에서 각각 1157, 837 Nm이고 주요 제원은 Table 1과 같다. PTO 부하 계측 시스템은 PTO 토크 미터(MW B 5 kNm, Manner, Germany)와 데이터 수

Table 1 Specifications of 78 kW tractor Item Specifications Length × Width × Height

(mm) 4225 × 2140 × 2830 Weight (kg) 3985

Engine Rated power (kW) 78@ 2300 rpm

PTO

Max. power (kW) 69@ 2300 rpm Rated torque (Nm) 1

: 1157

2

: 837

Site

Soil texture

Cone index (kPa) by depth (cm) Type Ratio of soil (%)

sand silt clay 0 5 10 15 20 25

Ⅰ Loamy sand 77.96 19.92 2.12 84 345 569 1131 1020 954

Ⅱ Loamy sand 84.13 13.85 2.02 154 961 1852 2827 2682 423 Table 3 Soil conditions for disk plow tillage and rotary tillage

Fig. 2 PTO torquemeter installed in PTO axle

집장치 (CRONOS compact CRC-400-11, IMC, Germany) 로 구성되었다. PTO 토크미터는 Inductive 방식의 무선 텔레메트리(Telemetry) 방식으로 최대 토크 5 kNm, 최대 회전속도 10,000 rpm까지 측정이 가능하 며, 트랙터 PTO 축에 Fig. 2와 같이 설치되었다.

2.3 필드시험

트랙터 농작업에 따른 PTO 부하 데이터를 수집하 기 위한 필드시험은 Fig. 3과 같이 2018년 7월 약 3000 m

(30 × 100 m) 크기의 Site Ⅰ(전라북도 김제 시)에서 디스크플라우 경운 작업과 2018년 5월 4000 m

(40 × 100 m) 크기의 Site Ⅱ(충청남도 청양군)에 서 로타리 작업을 대상으로 수행하였다. 디스크플라 우 경운 작업은 PTO의 동력을 이용하여 원형 판을 작업 진행 방향에 대하여 일정한 각도를 유지하게 흙을 갈아엎어 땅을 고르게 하는 작업이며, 로타리 경운 작업은 PTO의 구동력으로 로타리의 경운

Fig. 3 Field experimental of disk plow tillage (left) and rotary tillage (right)

Table 2 Specifications of implements

Item Disk plow Rotavator Company

(model)

Yeongjin (YDP 802L-H)

CELLI (E260) Length × Width

× Height (mm)

1745 × 2625

× 1070

860 × 2760

× 700 Working width

(cm) 245 250

Number of disc 10 60

Mass (kg) 573 715

축을 회전시켜 경운 날로 토양을 경운 및 쇄토하는 작업이다. 본 연구에 사용된 작업기는 국내 78 kW급 트랙터에 사용되는 사양을 갖고 있으며, 작업기의 주 요 제원은 Table 2와 같다.

필드시험 시 주행 단수 및 PTO 단수는 실제 수요 자의 설문조사를 통하여 디스크플라우와 로타리 작 업 시 가장 빈번하게 사용되는 단수인 L3 Low (2.38 km/h) 및 L3 High (2.83 km/h)로 선정하였고, PTO 단 수는 1단(540 rpm) 및 2단(750 rpm)으로 선정하였다.

경심은 국내 농작업이 주로 사용하는 경운 깊이인 17 cm 수준을 유지하였으며, 농작업은 작업자의 숙 련도에 따라 부하 변동에 영향을 주기 때문에, 데이 터의 신뢰성 확보를 위해 실제 농민에게 작업을 의 뢰하여 진행하였다.

2.4 토양환경 분석

농작업은 토양환경 조건에서 작업을 수행하기 때

문에 부하 가혹도 분석 시 어떤 특성을 갖는 토양에

서 작업을 수행했는지가 중요하다. 본 연구에서는

Table 3과 같이 토성, 원추지수에 대하여 분석을 수

행하였다.

토성은 충남대학교 농업과학연구소 토양

분석센터에 의뢰하여 미농무성(USDA)법에 따라 분

석하였으며, 원추지수는 cone penetrometer (SC900,

Spectrum Technology, USA)를 이용하여 0~25 cm 범

위에서 5 cm 간격으로 측정하였다.

이때, 토성은

필드 시험지 내의 균일하게 선정된 임의의 구간에서

채취한 시료를 대상으로 하였으며, 원추지수는 필드 시험지 내 균일하게 구분된 15개의 위치에서 측정된 데이터의 평균값을 사용하였다. Site Ⅰ, Ⅱ의 토성은 양질사토(Loamy sand)로 나타났으며, 양질사토는 점 토(Clay)의 함량이 적고 모래(Sand)를 많이 포함하고 있어 점착력이 약한 특징이 있다. 국내 논 토양은 대 부분 양질사토와 같은 양토 계열로 알려져 있으며, 본 연구에서 선정한 필드시험지는 국내 논 토양의 대표적인 토성을 가진 것을 확인하였다.

3. 가혹도 평가 방법

3.1 부하 스펙트럼

트랙터 PTO 토크는 작업에 따라 변동이 심하고 비주기적인 특징을 가지며, 비주기적인 토크는 여러 토크 사이클이 결합 되어 있으므로 이를 구성하는 토크 사이클의 크기와 빈도수를 고려하여 주파수 함 수로써 표현되어야 한다. 시간 함수로 표현된 토크의 크기를 주파수 성분으로 분해하기 위해서는 일정한 크기의 토크가 발생한 횟수를 정확하게 카운팅해야 하며, 이를 위하여 본 연구에서는 기계요소 시스템의 누적 손상 및 수명 평가 분야에서 널리 사용되는 낙 수계수법(Rain-flow counting) 방법을 이용하였다.

낙수계수법은 피로 해석 소프트웨어(nCode Glyphworks 13.1, HBM, United Kingdom)를 이용하였으며, PTO 토크는 진폭(Range), 평균(Mean), 빈도수(Cycles)의 3D-Map으로 표현하였다. 부하 스펙트럼은 농작업 시 발생하는 변동 부하 조건을 고려하기 위하여 평균 토크와 토크 데이터의 진폭을 반영할 수 있는 식 (1) 과 같은 SWT (Smith-Watson Topper)법을 이용하여 공칭토크를 계산하였다.

이때, 부하 스펙트럼은 측 정된 부하의 최대 및 최소값을 고려하여 32등분 하 여 나타냈다.

또한, 부하 스펙트럼의 공칭토크는 PTO 정격 토크에 대한 비율로 표현하였으며, PTO 정격 토크는 1단 및 2단에서 각각 1157 Nm, 837 Nm 이다.



  ^{ }

 



(1) 여기서, 

은 공칭 토크(Nm), 

는 토크의 진폭 (Nm), 

은 평균 토크 (Nm)를 나타낸다.

본 연구에서 사용한 부하 데이터는 총 트랙터 수 명 대비 상대적으로 낮은 시간 동안에 측정된 데이 터이므로, 측정된 부하데이터의 빈도수를 식 (2)와 같이 연간 작업 시간 및 트랙터 내구연한을 고려하

여 확대하였다. 이때, 연간 작업 시간은 38.9 시간

, 내용연수는 8년을 적용하였다.



  (2) 여기서, 

은 총 트랙터 수명시간을 반영한 빈도 수(cycles),  은 계측한 데이터의 빈도수(cycles/s),  은 트랙터 내용연수(year), 는 트랙터 연간 작업 시 간(h/year)을 나타낸다.

3.2 상대 가혹도

디스크플라우 및 로타리 작업에 따른 상대 가혹도 (Relative severeness)는 Fig. 4와 같이 PTO 토크 데이 터 수집, 낙수계수법을 이용한 부하 빈도수 집계, SWT법을 적용한 부하 스펙트럼 산출, S-N 선도 기 반의 손상합(Damage sum)을 계산하고 이를 비율로써 표현하여 상대 가혹도를 계산하였다. 또한, 가혹도 계산을 위해서는 토크를 응력으로 변환해야 하며

, 본 연구에서는 식 (3)을 이용하여 부하 스펙트럼의 토크 값을 응력으로 변환하였다. 이때, PTO 축의 직 경은 34.82 mm로 적용하였다. PTO축의 재질은 SCM420H로, 재료의 S-N 곡선은 선행연구에서 제시 된 식 (4)를 활용하였다.

손상합은 식 (5)와 같이 누 적 손상 법칙인 수정 마이너 법칙(Modified miner rule)을 이용하여 부하 스펙트럼에서 계산된 각각의 응력 값에 대한 손상합을 합산함으로써 전체 손상합 을 계산하였다. 이때, 손상합은 계측된 사이클의 수 를 재료의 피로수명으로 나눠줌으로써 계산하였다.

또한, 각각의 작업 조건에 따른 가혹도를 평가하기 위해 상대가혹도를 평가하였으며, 이때 상대 가혹도 는 손상합이 가장 낮은 조건에 대한 상대적인 비율 로써 나타냈다.

Fig. 4 Procedures for severeness evaluation of

tractor PTO

   



(3)

여기서, 는 응력(MPa), 

는 공칭토크(Nm), 는 축의 직경(mm)을 나타낸다.



 

(4) 여기서, 

은 일정 응력 조건에서 재료가 허용할 수 있는 빈도수(Cycles)를 나타내며, 는 응력(MPa) 을 나타낸다.

  



 



  (5)

여기서, 

은 빈도수(Cycle), 

는 피로수명(Cycle),

 는 손상합(Damage sum)을 나타낸다.

4. PTO 부하 분석 및 가혹도 평가

4.1 작업 부하 분석

4.1.1 디스크플라우 경운 작업

Fig. 5는 L3 High P1 단수에서 디스크플라우 경운 작업 시 발생하는 PTO 토크 데이터를 나타냈다.

PTO 토크는 작업 구간에서 약 200~900 Nm의 범위 로 나타났으며, PTO 1단에서 정격토크가 1137 Nm인 것을 고려할 때 정격대비 18~79%의 토크를 사용한 것으로 나타났다.

Fig. 5 Representative load profile of disk plow tillage under the L3 High P1

4.1.2 로타리 경운 작업

Fig. 6은 L3 High P1 단수에서 로타리 경운 작업 시 발생하는 PTO 토크 데이터를 나타냈다. PTO 토 크는 작업 구간에서 약 300~1800 Nm의 범위로 나타 났으며, 이는 정격 토크의 26~158%를 의미하여 로타

리 작업 시 PTO 토크는 정격 토크 대비 최대 158%

이상 높게 나타난 것을 알 수 있다.

Fig. 6 Representative load profile of rotary tillage under the L3 High P1

4.1.3 작업 및 단수별 PTO 부하 분석 결과 Table 4는 디스크플라우 경운 작업 및 로타리 경운 작업 시 PTO 평균 토크 분석 결과를 나타낸다. PTO 토크는 동일한 주행 단수에서 PTO 단수가 낮을수록, 주행 단수가 높을수록 증가하는 것으로 나타났다. 디 스크플라우 작업 시 PTO 토크는 단수에 따라 430.83~463.87 Nm의 범위로 나타났고, 최대 약 1.077 배의 차이를 보여 단수에 따른 변화 폭이 크지 않은 것을 알 수 있다. 로타리 작업 시 PTO 토크는 707.83~1055.45 Nm의 범위로 나타났고, 최대 1.491배 의 차이를 보였다. 로타리 작업 토크는 동일 단수 조 건에서 디스크플라우 작업 대비 약 1.64~2.29배 높은 것으로 나타나, 디스크 플라우 작업 대비 로타리 작 업 시 PTO 부하가 더 큰 것을 알 수 있다. 이는, 디 스크 플라우 작업은 원판을 이용하여 흙을 일정한 각도로 갈아엎지만, 로타리 작업은 경운 날을 이용하 여 토양을 쇄토하므로, 로타리 작업 시 PTO 부하는 토양에 더 직접적인 영향을 받는 가혹한 조건이기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, PTO 토크는 주행 단수보다 PTO 단수와 작업기의 종류에 크게 영향을 받는 것을 알 수 있다.

Table 4 PTO averaged torque analysis by implements and gear stages

(Unit : Nm) Working type Gear

stages

PTO gear

P1 P2

Disk plow tillage

L3 Low 457.06 430.83

L3 High 463.87 440.26

Rotary tillage L3 Low 1048.79 707.83

L3 High 1055.45 803.28

4.2 부하 스펙트럼 분석 4.2.1 디스크플라우 경운 작업

디스크플라우 경운 작업에 따른 낙수계수법 분석 결과는 Fig. 7과 같이 나타났다. PTO 토크의 평균과 진폭은 모든 단수에서 각각 100~800 Nm, 0~950 Nm 의 범위를 보였다. 가장 높은 빈도수를 나타내는 평 균 부하의 범위는 네 단수 모두에서 400~500 Nm로 나타났으며, 진폭은 L3 Low P1, L3 High P1에서 150~200 Nm의 범위를 보였으며, L3 Low P2, L3 High P2에서 0~100 Nm의 범위를 보였다. 디스크플라 우 작업 시 PTO 토크의 진폭은 2단 대비 1단에서 더 큰 변화를 보이는 것을 알 수 있다.

Fig. 7 Results of rain-flow counting at each gear stages during disk plow tillage

디스크플라우 작업에 따른 각 작업 단수별 부하 스 펙트럼은 Fig. 8과 같이 나타났다. 정격대비 PTO 최 대 토크 비는 L3 Low P2 및 L3 High P2에서 각각 최 대 0.678, 0.67로 나타났으며, L3 High P1 및 L3 Low P1에서는 각각 0.596, 0.519로 나타났다. 주행 단수 L3 Low에서 PTO 단수가 1단에서 2단으로 증가할 때 최 대 토크 비가 약 1.31배 증가하는 것으로 나타났으며, L3 High 단수에서는 PTO 단수가 1단에서 2단으로 증 가할 때 최대 토크 비는 약 1.12배 증가하는 것으로 나타났다. PTO 1단 및 2단에서는 주행 단수 L3 Low

에서 L3 High로 증가할 때, 각각 1.15배 증가 및 0.012배 감소하는 것으로 나타났다. 토크 비는 모든 단수 조건에서 1보다 낮은 범위로 나타나, 정격 토크 대비 낮은 토크 범위를 보이는 것으로 나타났다.

Fig. 8 Load spectra according to gear stages during disk plow tillage

4.2.2 로타리 경운 작업

로타리 경운 작업에 따른 PTO 토크의 낙수계수법 분석 결과는 Fig. 9와 같이 나타났다. PTO 토크의 평 균은 PTO 1단에서 각각 50~1450 Nm, 500~1500 Nm

Fig. 9 Results of rain-flow counting at each gear

stages during rotary tillage

의 범위를 보이며, 진폭은 두 단수 모두에서 0~1700 Nm의 범위를 나타냈다. PTO 2단에서 PTO 토크의 평균은 50~1200 Nm의 범위를 보이며, 진폭은 각각 0~1750 Nm, 0~1400 Nm의 범위를 나타냈다. 가장 높 은 빈도수를 나타내는 평균 부하의 범위는 PTO 1단 및 2단에서 각각 900~1200, 700~900 Nm로 나타났으 며, 진폭은 PTO 1단 및 2단에서 각각 0~500, 0~50 Nm로 나타났다. 로타리 작업 시 PTO 토크의 진폭은 2단 대비 1단에서 약 10배 더 높게 나타났다.

로타리 작업에 따른 각 작업 단수별 부하 스펙트 럼은 Fig. 10과 같이 나타났다. 정격대비 PTO 토크 비는 L3 High P1 및 P2에서 각각 최대 1.22, 1.19로 나타났으며, L3 Low P1 및 P2에서 각각 1.11, 1.06으 로 나타났다. PTO 단수가 1단에서 2단으로 증가할 때 L3 Low 및 L3 High 단수에서 최대 토크 비는 각 각 약 0.045배 및 0.025배 감소했다. PTO 1단 및 2단 에서는 주행 단수 L3 Low에서 L3 High로 증가할 때, 최대 토크 비는 각각 1.10배 및 1.12배 증가하는 것 으로 나타났다. 디스크플라우 작업과는 달리 모든 단 수 조건에서 최대 토크 비가 정격 토크보다 높은 결 과를 보이는 것으로 나타났다.

Fig. 10 Load spectra according to gear stages during rotary tillage

4.3 상대 가혹도 평가

4.3.1 디스크플라우 경운 작업

디스크플라우 작업에 따른 상대 가혹도는 Fig. 11 과 같이 손상합이 가장 낮은 L3 Low P2 단수를 기준 으로 비율로써 나타냈다. 상대 가혹도는 L3 High P1, L3 Low P1, L3 High P2에서 각각 9.87, 5.64, 2.43으 로 나타났다. 상대 가혹도는 PTO 단수가 낮고, 주행 단수가 높을수록 더 높게 나타났다. PTO 속도가 2단 에서 1단으로 약 0.28배 감소할 때, 가혹도는 L3 Low

조건에서 5.64배 L3 High 조건에서 4.06배 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 주행 속도가 L3 Low 단에서 L3 High 단으로 약 1.19배 증가할 때, 상대 가혹도는 PTO 1단에서 1.75배, PTO 2단에서 2.43배 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 11 Relative severeness according to gear stages during disk plow tillage

4.3.2 로타리 경운 작업

로타리 작업에 따라 상대 가혹도는 디스크플라우 작업과 마찬가지로 손상합이 가장 낮은 L3 Low P2 를 기준으로 비율로써 나타냈으며 그 결과는 Fig. 12 과 같다. 상대 가혹도는 L3 High P1, L3 Low P1, L3 High P2에서 각각 14.20, 4.88, 1.39으로 나타났다.

PTO 속도가 약 0.28배 감소할 때, 가혹도는 L3 Low 조건에서 4.88배, L3 High 조건에서 10.22배 증가하 는 것으로 나타났다. 또한, 주행 속도가 L3 Low 단에 서 L3 High 단으로 약 1.19배 증가할 때, 상대 가혹 도는 PTO 1단에서 2.91배, PTO 2단에서 1.93배 증가 하는 것으로 나타났다.

Fig. 12 Relative severeness according to gear

stages during rotary tillage

4.3.3 부하 가혹도 평가

디스크플라우 및 로타리 작업에 따른 부하 가혹도 평가 결과는 Fig. 13과 같다. 상대 가혹도는 가장 낮 은 손상합을 보이는 L3 Low P2 단수에서의 디스크 플라우 작업을 기준으로 비율로써 표현하였다. 상대 가혹도는 전체적으로 로타리 작업이 디스크플라우 작업보다 높게 나타났으며, 주행 단수가 높고 PTO 단수가 낮을수록 높게 나타났다. 동일한 단수 조건에 서 상대 가혹도는 디스크플라우 작업 대비 로타리 작업에서 약 40~102배 높게 나타났다. 상대 가혹도는 디스크플라우 작업 L3 Low P2 단수대비 로타리 작 업 L3 High P1 단수에서 가장 높은 값인 1010.12를 보였으며, 이는 디스크플라우 작업 대비 로타리 작업 이 PTO 수명에 1000배 이상 가혹한 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

PTO 가혹도는 작업기 및 작업 단수에 따라 다른 결과를 보여주었으며, 전체적으로 로타리 작업이 디스크플라우 작업 대비 PTO 수명에 큰 영향을 미 치는 것으로 나타났다. 또한, 두 작업 모두에서 주 행 단수 및 PTO 단수를 낮을 것을 사용하는 것이 낮은 상대 가혹도를 보여 PTO 수명에 더 유리한 것으로 나타났다.

Fig. 13 Evaluation of relative severeness according to gear combinations during tillage operations

5. 결 론

본 연구는 디스크플라우 작업과 로타리 작업에 따른 트랙터 PTO 가혹도를 평가하기 위하여 PTO 부하 계측 시스템을 구성하고 필드시험을 통하여 부하 데이터를 수집하고 가혹도 분석 프로세스를 통해 PTO 가혹도를 평가하였으며, 주요 결과는 다 음과 같다.

(1) PTO 토크는 디스크플라우 작업 및 로타리 작 업 시 PTO 속도가 낮고, 주행 속도가 증가할 경우 증가하는 것으로 나타났다. 디스크플라우 작업 및 로 타리 작업 시 PTO 토크는 단수에 따라 각각 430.83~463.87 Nm, 707.83~1055.45 Nm의 범위로 나 타났다. PTO 토크는 주행 단수보다 PTO 단수와 작 업기의 종류에 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.

(2) 디스크플라우 작업 및 로타리 작업 시 부하 스 펙트럼의 최대 토크 비는 각 작업 단수에서 약 0.519~0.670 및 1.06~1.22의 범위로 나타났다. 모든 단 수 조건에서 최대 토크 비는 디스크플라우 작업 시 정격토크 대비 낮은 범위를 보였으며, 로타리 작업 시 정격토크 대비 높은 범위를 보였다.

(3) 디스크플라우 작업 시 상대 가혹도는 L3 Low P2 단수 기준으로 L3 High P1, L3 Low P1, L3 High P2 단수에서 각각 9.87, 5.64, 2.43으로 나타났다. 상 대 가혹도는 PTO 단수가 낮고, 주행 단수가 높을수 록 더 높게 나타났다. 로타리 작업 시 상대 가혹도는 L3 Low P2 단수 기준으로 L3 High P1, L3 Low P1, L3 High P2 단수에서 각각 14.20, 4.88, 1.39로 나타 났다.

(4) 상대 가혹도는 동일한 단수에서 디스크플라우 작업 대비 로타리 작업에서 약 40~102배 높게 나타 났다. 디스크플라우 작업 L3 Low P2 단수 대비 로타 리 작업 L3 High P1 단수에서 상대가혹도는 1010.12 를 보였으며, 이는 디스크플라우 작업 대비 로타리 작업이 PTO 수명에 1000배 이상 가혹한 영향을 미치 는 것을 의미한다. 모든 작업 단수에서 로타리 작업 이 디스크플라우 작업 대비 PTO 가혹도가 더 높게 나타남에 따라 수명에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 또한, 디스크플라우 및 로타리 작업 시 낮 은 주행 단수 및 PTO 단수를 사용하는 것이 낮은 상 대가혹도를 보여, PTO 수명에 더 유리한 것으로 나 타났다. 또한, PTO 수명에는 작업기 종류, PTO 단수, 주행 단수 순으로 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.

후 기

본 연구는 충남대학교 학술연구비에 의해 지원되 었음

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