우리나라 산림은 정부정책으로 수종변 경 및 조림면적이 확대되고 있는 추세 다. 그러나 산림조성을 위한 조림기술 에 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 지속 되고 있다. 산림조성을 위한 기계화를 앞당기기 위해 김진현 경북대학교 교수 가 추진하고 있는 경량식재기 개발과정 을 6회에 걸쳐 소개한다.

김진현 경북대학교 정밀기계공학과 교수

토성·물리요인 등 토양의 실험위치에 따른 최대회전력 큰 차이
안정성 높이기 위해 실험 회전력 최대값 반영한 설계안 필요 

◇ 2차 회전력 실험배경

식재기용 소, 중형 스크류의 현장 회전력 실험은 5종의 스크류와 실험토양의 위치를 달리한 6곳에서 2차 실험으로 2016년 3월 29일 맑은 날을 선택하여 실험하였다. 2차 실험에서는 5종의 스크류를 동시에 측정하여 이론값과 비교 분석하였다. 소, 중형 스크류를 2차 실험한 이유는 1차 실험 때와 토양의 조건이 달라져 있으므로 동일한 조건에서 실험이 이루어져야 상대적인 평가가 가능한 것으로 판단되기 때문이다. 

◇ 토성과 물리적 요인에 따른 최대회전력 큰 차이
5종의 스크류에 대한 실험 위치별 최대 회전력은 <표 1>과 같이 나타났다. 소형 스크류는 이론 회전력이 19.6kgf-cm이었으나 실제 실험에서는 위치 별로 차이가 큰 차이를 나타내었다.

단단한 초지인 A-area에서 약 90kgf-cm까지 상승하여 매우 큰 회전력이 걸리는 것을 알 수 있었다. 중형 스크류 중에 C-Type의 경우에는 이론 회전력은 48.3kgfcm이었으나 단단한 초지에서는 140kgf-cm로 가장 큰 회전력이 소요되었다.

또한 최대 회전력의 평균에서도 99.3kgf-cm으로 이론 회전력에 비해 2배 정도로 큰 것을 알 수 있었다. B-type, D-type, E-type의 스크류에서는 최대 회전력의 평균값은 이론 회전력에 비해 2~2.5배 정도 크게 나타났다.

이러한 이유로는 실제 현장 토양에서의 토성과 물리적 요인이 실험위치에 따라 큰 차이를 나타내고 있기 때문이다. 뿐만 아니라 전체적으로 실험값이 큰 것은 토양 내부의 입도가 균일하지 않거나 토양 경도가 위치별 불균일하여 나타난 현상으로 파악된다. 

또한 C-type은 실험 회전력이 매우 크고 때때로 입도가 불량한 지역에서는 스크류에 과부하가 걸리는 현상이 발생될 만큼 회전저항이 높아 개량형으로 D, E-type를 설계하였으며 실제 회전력 실험에서도 10~20% 감소하였다. 따라서 중형 스크류의 실험 회전력은 C-type>D-type>B-type>E-type로 나타났다.

그리고 실험의 위치에 따른 회전력은 단단한 초지인 A-area에서 가장 큰 회전력을 나타내었고 그 다음은 뿌리가 많은 지역인 B-area로 나타났다. 그리고 나머지 지역은 거의 비슷한 양상을 보이고 있었다. 

◇ 안정성 높이기 위해 회전력 최대값 기준으로 설계필요
단단한 초지가 높은 회전력을 필요로 한 것은 잔디로 덮여있고 사람들에 의해 때때로 지표면이 다져진 곳으로서 특히 표토 10cm까지 매우 높은 경도를 나타낸 지역으로 스크류가 잔디의 뿌리를 절단하거나 높은 경도의 영향을 받은 것으로 추정되었다. 그러나 실제로 경량 식재기용 스크류는 대부분 산림지에서 토양을 굴취하므로 실험 회전력의 최대값을 기준으로 스크류와 모터 및 감속기를 설계함에 따라 안정성이 높을 것으로 판단되었다. 

소, 중형 스크류의 동력원으로 사용한 WD6G2425(Wonill, Korea)는 출력이 25W이며, 최대 회전수 3,000rpm에서 0.8kgf-cm의 회전력을 가지지만 감속비를 1:60으로 줄이면 최대 회전력은 40.6kgf-cm로 증가하게 된다.

본 실험에서는 동력원에 토크 메터를 결합하여 토양을 굴취 실험하는 경우 토크 메터의 자체적인 저항으로 인해 회전력에 상당한 영향을 미친 것으로 파악되며 실제로 토크 메터를 제외하고 직결한 경우 장시간의 스크류 실험을 동일지역에서 실시한 결과 토양의 굴취가 전혀 문제없이 이루어진 것으로 나타났다. 

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