김진현 경북대학교 정밀기계공학과 교수

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.

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

소·중형 스크류 현장 회전력 측정실험 통해 안정성 개선반영
굴취저항 따른 6곳 토양실험 통해 최적 경량식재기 모델구상

본 연구에서 개발된 소, 중형 스크류의 현장 회전력 실험은 5종의 스크류와 실험토양의 위치를 달리한 6곳에서 수행하였다. 스크류의 회전력은 토양의 조건에 따라 크게 달라지므로 최대한 동일한 조건에서 실험이 이루어져야 한다. 회전력 측정 1차 실험은  2015년 10월 22일 맑은 날을 선택하여 실험하였다. 물리성에서는 기초적 토양분석과 토성 및 토양수분 등을 측정하였고, 스크류별 5반복 실험을 하였다. 1차 실험은 이론 회전력이 가장 적게 걸리는 소형 스크류(A-type)와 가장 큰 회전력이 걸리는 중형 스크류(C-type)을 우선 수행하여 식혈기의 개발시 안정성에 대한 검토 및 고찰을 통하여 개선하도록 하였다.

2차 실험에서는 5종의 스크류를 동시에 측정하였고 또한 이론값과 비교분석하였다. 토양의 굴취시 스크류에 걸리는 회전력은 깊이별 데이터 값이 연속적으로 변하므로 평균값으로 나타내는 것은 실제로 큰 의미는 없지만 이론 회전력을 비교하기에는 적절한 것으로 보인다. 예를 들면 최대 회전력 값이 DC모터나 감속기 및 배터리의 수명에 영향을 미치는데 평균값으로 처리 될 경우 동일한 깊이에서 최대값이 나타나지 않을 수 있다. 전체적으로 굴취시 토양 저항에 따른 스크류의 회전력은 실험구의 위치에 따라 최대 토크가 매우 불규칙하였으며 경사 30°의 돌 많은 지역(D-area)에서 가장 높게 나타났다. <그림 1,2>는 산림 토양의 스크류 토크 측정 장면이며 <표 1>은 소형 스크류 A-type과 중형 스크류 C-type의 토양 위치별 최대 토크 데이터를 나타내고 있다. 

◇ 소형 스크류(A-type)의 1차 회전력 실험결과

굴취시 소형 스크류의 회전 토크는 실험구인 단단한 초지(A-area), 나무뿌리 많은 지역(B-area), 경사지역(C-area), 경사 30°의 돌 많은 지역(D-area), 30°경사사면(E-area), 40°산림(F-area)의 6곳에서 이루어졌다. 소형 스크류는 스크류 내의 토양의 볼륨이 118,662㎣으로 적어 이론 회전력도 19.6kgf-cm로 낮게 산출되었다. 6곳의 토양 실험 결과에서도 전반적으로 40kgf-cm가 넘지 않아 큰 토크가 걸리지 않음을 알 수 있다. 토양의 스크류에 저항하는 토크는 토양의 조건과 위치에 따른 토성 및 입자의 구성이 균일하지 않으므로 동일한 실험을 하더라도 토양의 저항은 크게 달라진다. 소형 스크류의 최대 회전력은 경사 30°의 돌 많은 지역(D-area)에서 최대 57kgf-cm로 가장 높았으며, 실제 산림지역과 유사한 40°산림(F-area)지역에서 최대 27kgf-cm으로 가장 작게 나타났다. 그리고 단단한 초지(A-area), 나무뿌리 많은 지역(B-area), 경사지역(C-area), 30°경사사면(E-area)에서는 33~35kgf-cm로 비슷한 경향을 보였다. 소형 스크류의 회전력은 토양의 조건에서 경도가 높아지거나 토양 속에 돌이 있는 곳 등 조건이 불균일하여 이론 회전력보다는 상당히 크게 나타났다. 따라서 본 연구에서는 DC-motor와 감속기는 중형 스크류를 중심으로 설계하였으므로 소형 스크류를 사용하는데 전혀 문제가 없을 것으로 판단되었다.
 
◇ 중형 스크류(C-type)의 1차 회전력 실험 결과

굴취시 중형 스크류의 회전력 실험구도 단단한 초지(A-area), 나무뿌리 많은 지역(B-area), 경사지역(C-area), 경사 30°의 돌 많은 지역(D-area), 30°경사사면(E-area), 40°산림(F-area)의 6곳에서 이루어졌다. 중형 스크류(C-type)는 스크류 내의 토양의 볼륨이 573,333㎣으로 매우 크지만, 이론 회전력은 48.3kgf-cm로 나타났다. 소형 스크류에 비해 토양 볼륨은 약 5배 정도 크지만 이론 회전력은 약 2배 정도로 나타났다. 식재기에서 회전력은 토양 볼륨 외에 스크류의 설계 요인도 작용 할뿐만 아니라 스크류내의 토양 중량에 대한 영향은 식혈기 전체의 중량에 비해 크지 않기 때문에 이론 회전력에서 큰 영향을 미치지 않은 것을 알 수 있었다. 6곳의 토양 실험결과에서는 전체적으로 매우 높으며 토양 굴취저항이 큰 것으로 나타났다. 중형 스크류(C-type)의 최대 회전력은 30°경사사면(E-area)에서 최대 170kgf-cm 이였으며, 경사 30°의 돌 많은 지역(D-area)이 123kgf-cm, 나무뿌리 많은 지역(B-area)에서 120kgf-cm 순으로 나타났다. 가장 작은 회전력은 40°산림(F-area)에서 87kgf-cm이었다. 따라서 소형 스크류(A-type)와 중형 스크류(C-type)의 최대 회전력 측정값은 약 3배 정도 차이가 났으며, 토양의 위치별 최대 회전력의 경향도 비슷한 양상을 보여주었다. 또한 이론 회전력에서 스크류의 Volume 내의 토양 중량은 식혈기 전체의 중량에 비해 큰 영향을 주지 못하지만 실제로 토양 내부를 굴취 할 때, 토양 내부의 입도 불균일에 의한 스크류 저항이 큰 것을 알 수 있었다.

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