이산요소법을 활용한 기계수확 과정 중 마늘 거동의 동적 분석

Abstract

Garlic is widely consumed as the main seasoning vegetables in Korea, but the burden of garlic farming is increasing due to lack of manpower caused by the aging in rural society. In addition, since the mechanization rate of garlic farming is still row, it is necessary to develop a garlic harvester to replace manpower. In the previous process of developing agricultural machinery, structural analysis using finite element method was mainly performed. However, performance analysis of harvesting process could not be performed in this way. It is also important to make sturdy machines, but farmers´ interest in how well garlic is harvested when they use a machine has been growing, so analysis of harvesting performance is increasingly required. In this study, the behavior of garlic during mechanical harvesting was analyzed by EDEM program with discrete element method(DEM) and simulation was performed to derive the harvesting performance. To analyze the system using DEM, the object to be analyzed as particles and other structures should be modeled. Garlic was composed of the particles to analyze its behavior. The garlic harvester was equally represented as structures and motion was applied with reference to actual design. The physical properties for EDEM include particle size, density, Poisson´s ratio, Young´s modulus, coefficient of restitution, and coefficient of friction, and the physical properties of garlic was measured. As the physical properties of the organisms were measured, there was a large variation in the results, and when compared with the previous researches, there were differences in the physical properties due to differences in growth environment and variety. However, it was considered that it does not deviate much from the previous one and the measured values were applied to the physical properties of garlic particles for the interpretation. Whether the similar analysis as the actual measurement experiments was performed when the physical properties obtained though compression, restitution, and friction tests were applied to the simulation were determined for evaluating the applicability of the simulation analysis to the harvesting process. In the process of harvesting with the garlic harvester, it is still difficult to understand the behavior and the impact of the actual garlic and compare with the simulation. Therefore, the comparison of collision phenomena between the roller and the garlic was also performed. On the whole, adequate analysis results were obtained, but in the case of friction test and collision acceleration, there were large differences in the interpretation, so it is necessary to improve the property measuring test method or the result interpretation method. As the experimental condition for the performance evaluation by the simulation of the harvesting process, the supply conditions of garlic and soil particles and the harvesting work space were designed by referring to the actual field conditions. Through the simulation analysis, the harvesting rate, transport time, the impact force of garlic, the harvested garlic distribution, and soil removed rate could be analyzed as the performance of garlic harvester. The comparative analysis about the harvesting performances of the established garlic harvester specifications, the conditions that improved the rotational speed of roller, which is an operating factor, and the condition of improving the coefficient of restitution of the roller, which is a design factor, were performed in the simulations. As a result of the interpretation, the increase of the roller rotational speed caused the decrease of the harvesting rate, but there was a slight effect to reduce the impact, and the increase of the coefficient of restitution of roller raised the transfer time, but the harvesting rate and the soil removed rate could be improved by 8.19% and 2.35%, respectively. In the future, it is expected that the simulation of DEM will contribute to the development of the garlic harvester and the performance improvement through the detailed verification and the evaluation under various conditions.

마늘은 국내의 주요 조미채소로서 많이 소비되고 있으나 농촌의 고령화로 인한 인력 부족으로 마늘 농사에 대한 부담이 커지고 있다. 그리고 마늘 관련 농작업의 기계화율도 여전히 낮기 때문에 인력을 대체하기 위한 마늘 수확기의 개발이 필요한 상황이다. 이전까지의 농기계 개발과정에서는 유한요소해석을 활용한 구조해석이 주로 이루어졌으나 이러한 방식으로는 수확 과정에 대한 성능 분석이 수행될 수 없었다. 견고한 기계를 만드는 것도 중요하지만 농민들의 입장에서 기계를 사용하였을 때 얼마나 잘 수확되는지에 대한 관심도 커지고 있기 때문에 수확 성능에 대한 분석이 점점 요구되고 있다. 본 연구에서는 이산요소법이 적용된 EDEM 프로그램을 활용하여 기계 수확 과정에서 마늘의 거동을 분석하고 수확 성능을 도출하기 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 이산요소법으로 시스템을 해석하기 위해서는 입자로 해석할 물체와 그 이외의 구조물을 모델로 설정해야 한다. 마늘을 입자로 구성하여 거동을 해석하였고 마늘 수확기는 실제 설계안을 참고하여 구조물로 동일하게 나타내고 움직임을 적용하였다. EDEM에 필요한 입자의 물성으로는 크기, 밀도, 푸아송비, 탄성계수, 반발계수, 마찰계수가 있으며 이를 위해 실제 마늘의 물성을 측정하도록 했다. 생물체의 물성을 측정하였기에 결과의 편차가 크고 선행 연구와 비교하였을 때 생육 환경이나 품종 등의 차이가 있었기 때문에 물성 값에 차이는 있었지만 크게 벗어나지 않는 것으로 판단하여 측정된 수치를 마늘 입자의 물성으로 적용하여 해석하였다. 압축, 반발, 마찰 시험을 통해서 얻어진 물성 값들을 시뮬레이션에 적용하였을 때 실제 측정 실험과 동일한 해석이 이루어지는지 파악하여 수확 과정에 대한 시뮬레이션 해석의 적용성을 평가하도록 했다. 마늘 수확기로 밭에서 수확하는 과정에서 실제 마늘의 거동과 충격 등을 파악하여 시뮬레이션과 비교하는 것에는 아직 어려움이 많으므로 수확 과정에서 핵심적으로 이루어지는 롤러와 마늘의 충돌 현상을 구성하여 비교하는 과정도 수행되었다. 대체적으로 적절한 해석 결과가 도출되었으나 마찰 시험이나 충돌 가속도의 경우 해석에 차이가 크게 나타나 물성을 측정하기 위한 시험 방법이나 결과 해석 방법에 개선이 필요할 것으로 보였다. 수확 과정에 대한 시뮬레이션으로 수행되는 성능 평가를 위한 실험 조건으로 마늘과 토양 입자의 공급 조건 및 실제 밭의 조건을 참고한 수확 작업 공간을 설계하였다. 그리고 시뮬레이션 해석을 통해서 수확률, 이송 시간, 충격력, 적재 분포도, 토양 제거율이 마늘 수확기의 성능으로 분석될 수 있었다. 이를 활용해 기존의 마늘 수확기 사양과 작동 요인인 롤러의 회전속도를 향상시킨 조건, 설계 요인인 롤러의 반발계수를 향상시킨 조건에서의 수확 성능을 비교 분석을 하였다. 그 결과로 롤러 회전속도 상승은 수확률 저하를 초래하였으나 약간의 충격 감소 효과가 있었고 롤러 반발계수 상승은 이송 시간을 증가시켰지만 8.19%의 수확률 개선과 2.35%의 토양 제거율 향상이 이루어질 수 있을 것으로 해석되었다. 향후 더 상세한 검증과 다양한 조건에서의 평가를 통해서 마늘 수확기 개발과 성능 개선에 이산요소법 시뮬레이션 해석이 충분히 기여할 수 있을 것으로 예상된다.