스크류 개발은 식혈기 무게, 토양중량, 마찰계수 등 고려해야
회전력·회전수 감안, 포트묘 종류에 따른 5종의 스크류 개발

우리나라 산림은 정부정책으로 수종변경 및 조림면적이 확대되고 있는 추세다. 그러나 산림조성을 위한 조림기술에 있어서 식재부터 무육, 벌채, 갱신에 등의 효율성 제고가 요구되고 있지만 유독 조림기술은 크게 진전되고 않고 있다. 특히 국내 산림조성사업에 대한 기계화에 있어서 작업인력의 고령화와 비숙련화 등으로 관행적인 방법이 지속되고 있다. 산림조성을 위한 기계화를 앞당기기 위해 김진현 경북대학교 교수가 추진하고 있는 경량식재기 개발과정을 6회에 걸쳐 소개한다.

<게재순서>

① 경량식재기 개발배경 및 산업환경
② 굴취효율 극대화용 Screw 개발
③ 경량식재기 실증실험 1
④ 경량식재기 실증실험 2
⑤ 경량식재기 시작품 제작
⑥ 경량식재기의 현장적용

경량식혈기의 개발은 산림지에서 사용하므로 무게가 5kgf 내외로 개발되는 것이 이동과 작업에 적절한 것으로 판단된다. 무게의 경량화는 구동모터와 감속기 및 이를 보호하는 하우징의 경량화가 가장 중요하다. 특히 굴취부인 스크류의 경량화는 강도가 보장되어야 하고 굴취성능이 우수해야 할 뿐만 아니라 회전저항도 작을수록 유리하다. 더불어 산림토양의 경도와 입도 및 물리성을 고려할 때, 굴취부분의 세부설계는 구동모터에 결정적인 영향을 준다. 따라서 경량식재기의 개발비중은 스크류의 비중이 가장 높으며 또한 배터리의 작업시간을 가름하는 기준이 된다. 스크류가 토양을 굴취하고 굴취된 토양이 배출되는 상태는 나사의 이론을 적용하면 <그림 1>과 같이 스크류 상하면의 지름, 나선각, 스크류 피치, 스크류 재질과 토양의 마찰계수, 식혈기의 자중 등이 중요한 변수가 된다.

따라서 스크류를 제작하기 전에 포트묘의 형태에 따른 몇 가지의 스크류를 설계하여 이론적인 토크를 구하고 여기에 적합한 DC 모터와 감속기를 설정하는 과정으로 개발하였다. 여기서 감속률은 토크를 정하는 중요한 기준이 되므로 최소한 2~3차례 조정이 필요하다. 토양의 굴취는 스크류의 Flank 면을 따라 토양을 토출시키기 위해 스크류에 걸리는 식혈기의 전체 중량과 토양의 중량은 모두 굴취를 방해하는 요인이 되고 또한 스크류의 크기와 나선각, 토양과 스크류의 마찰계수도 역시 방해요인이 된다. 이 방해요인을 초과하는 모터 회전력이 가해질 때, 토양의 굴취가 가능하다. 그러므로 토양이 굴취되는 조건은 Pcosα-Qsinα>μ(Qcosα+Psinα)이며, 회전력은 T=ηQ(/2)tan(ρ+α)로 구해진다. 또한 물리적인 추가요인으로는 토양의 함수비, 비중량, 토양의 입도구성 및 토성, 물리성, 경도 등이 있으며, 이것의 영향은 토양의 마찰계수 μ의 값에 영향을 주는 것으로 판단하고 설계하였다. 또한 스크류의 내경과 외경, 나선각, 스크류 피치 및 스크류 상, 하 지름 등에 따라 포트묘 식재시 발생되는 토양의 재 매립에 영향을 준다. 뿐만 아니라 스크류의 회전력과 회전수는 배터리의 용량과 수명을 결정하는데 직접적인 영향을 미친다. 따라서 스크류의 개발은 포트묘의 형상 즉 묘의 종류에 따른 스크류의 개발이 필요하고 최소한 2종 이상으로 소묘용과 중묘용으로 구분하여 설계할 필요가 있다.

본 연구에서는 5종의 스크류를 <표 1>과 같이 설계하여 제작하였다. 실험조건에서는 경북대학교 상주캠퍼스 주변의 토양을 기준으로 하였다. 이론해석에서 토양의 비중량(gf/㎤)은 실험결과 평균 2.57로 나타났으나 입도의 불균형을 고려하여 2.7로 적용하였다. 토양과 스크류의 마찰계수는 토성 및 함수율에 따라 크게 달라지므로 최대한 크게 잡아 0.6(tanρ=31°)으로 설계하였다. 또한 모터와 감속기의 기계마찰손실 계수를 0.5로 설계하였다. 그리고 스크류에 작용하는 수직하중(Q)은 식혈기 전체 하중(Q₁)과 스크류 내의 토양 무게(Q₂)를 전체 하중으로 적용하였으나 실제 현장에서는 식재 작업시 인위적으로 식혈기를 누를 경우에는 이론 회전력은 더 커지게 된다. <표 2>는 5종의 스크류 설계와 제작에 대한 각 부의 치수를 나타내고 있으며 <표 3>은 5종의 스크류 설계에 대한 이론 회전력을 산출하였다. 스크류의 이론회전력은 스크류의 규격과 이에 해당하는 스크류 내의 토양 볼륨과 거의 비례한다.

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