고추, 배추 등 채소뿐만 아니라 수수, 인삼 등 거의 모든 작물은 수량 및 상품성 향상을 위해 주로 이식재배를 하고 있 으나, 본밭에 아주 심는 정식작업은 인력에 의존하고 있으며, 노동 투하 시간은 18.4 hr/10 a이 소요되어 전체 노동시간의 18.7%를 차지하고 있어 기계화가 시급하다(Rural Development Administration, 2003). 하지만 밭작물은 작목이 다양하고, 지역 별 재배양식이 다르며, 손으로 심는 정도의 정밀한 작업요구로 기계화가 어려운 분야이다.

배추정식작업은 허리를 깊게 구부린 상태로 계속적인 반복작 업을 하여야 하고 짧은 기간 동안 고도집약적인 노동력을 필요 로 하므로 일찍이 기계화의 필요성이 있었다. 또한 농업 인구의 급격한 감소로 농촌 노임이 상승되어 생산비 절감을 위해서 정 식작업의 기계화는 더 필요하게 되었다(Park et al., 2005).

미국이나 유럽의 대규모 채소재배지역에서의 정식 작업은 주 로 트랙터 부착형 또는 자주형 반자동 채소정식기를 사용하고 있다. 이 작업기는 사람이 기계에 탑승하여 직접 모종을 모 공 급장치에 분배하는 대형작업기이기 때문에 규모가 작은 우리 나라 영농 여건에 적합하지 않다(Min et al., 1998).

플러그 묘를 사용하는 이식기의 개발을 위하여 묘 분리장치, 묘 자동 공급장치, 식부장치 등에 대한 연구(Min & Moon, 1998; Park et al., 2005)가 수행된 바 있으며 플러그 묘 방식 의 고추 묘 자동이식기가 개발된 바 있다(Kim et al., 2006). 이에 비해 삽목방식의 묘목 이식작업의 기계화에 대한 연구는 시작 단계에 불과 하다(Shin & Kim, 2009).

Park (2005)등에 의해 개발된 식부 장치는 복합 4절 링크방 식으로 타원형의 식부궤적을 형성했으며 토양속에서 식부호퍼 가 끌리거나 밀리는 상태 없이 식부상태도 좋게 나타난 것을 볼 수 있었다. 시작기의 작업 상태는 비닐피폭 및 무피복 상태 에서 작업이 가능한 것으로 나타났으며 결주율은 2.0 ~ 3.0%였 고 작업성능은 2.2 hr/10a로 관행에 비하여 노력을 88% 절감 할 수 있는 것으로 나타났다.

Kim (2010)에 의해 개발된 트랙터 견인형 2조식 삽목 이식 기의 경우 이식부가 각각 독립적으로 제어되며 삽목이 들어 있는 이식침을 수직하강하여 토양내로 진입시킨 후 배출구를 연 상태에서 이식침을 상승시키며 동시에 진압장치를 구동하 여 삽목이 이루어지는 방식이다. 이 이식기는 이론적으로 시 간당 2,250개의 삽목 이식이 가능하며 한 싸이클을 완료하는 데 필요한 시간은 최대 3.2 초로 나타났다. 우리나라에서 밭작 물의 파종 및 정식 기계화율은 5.0%로 낮은 실정으로 밭작물 의 기계화율 향상을 위해서는 다양한 방식의 정식기 개발이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 새로운 정식기 개발을 위한 기초 연구로써 반자동 다조식 정식기의 식부 메커니즘을 분석 하고자 하였다.

재료 및 방법

다조식 정식기 개발

다조식 정식기의 동력원은 Table 1과 같이 출력이 2.6 kW 이고, 진동과 소음이 적고 비교적 무게가 가벼운 4싸이클 가 솔린 공랭식 엔진을 선정하였다.

식부장치 구동메커니즘은 Fig. 1과 같이 5단계의 순환루프 로 동작하도록 제작하였다. 식부장치 작동원리는 Fig. 2와 같 이 묘를 파지 한 후 135° 회전하여 이동 후 식부하는 방식이 며, 묘 집게부는 식부장치가 회전 및 직선운동을 하므로 작동 중 묘가 이탈되지 않도록 Fig. 3과 같이 돌기가 있는 집게형 으로 제작하였다. 식부호퍼는 묘 집게부가 135° 회전하는 순 간 닫히고, 식부 후 복귀되는 순간에 열리도록 설계하여 식부 장치가 어떤 작업상태에 있어도 묘 공급이 가능하도록 설계하 였다.

시작기 제작

시작기는 자주식의 전용기로 식부장치, 작조장치, 주행장치, 이동장치로 구성되어 있다. 시작기는 Fig. 4와 같이 두둑을 주 행하는 방식으로써 작업자가 양측 고랑에 서서 묘를 공급하도 록 호퍼위치를 지면에서 약 90 cm 높이로 고려하여 설계하였 으며, 묘공급, 작조, 정식, 복토 전과정 작업형으로 6 ~ 8 조로 조간 조절 가능한 구조로 제작하였다.

작조장치 제작

작조장치의 작조날은 상시 회전시키도록 하였으며, Fig. 5와 같이 작조장치는 작조구가 지면에 45°로 성형되도록 버킷 회 전날 방식으로 제작하였고, 이는 어테치먼트체인에 원주방향 으로 14개를 5 cm 간격으로 설치하고, Fig. 6과 같이 작조날 이 45°로 작동되도록 하기 위하여 4절링크 구조의 작조구 성 형장치를 설계, 제작하였다. 작조 깊이는 묘 길이가 약 20 cm 내외인 점에 맞추어 22 cm가 성형되도록 작조날을 배열하였다.

주행장치 제작

주행장치는 토양표면에 접지력을 높이기 위하여 Fig. 7과 같 은 형상의 버킷형날을 장궤형의 어테치먼트체인에 14개를 5 cm간격으로 부착하여, 두둑을 주행방식으로 설계하고 전·후륜 에 모두 동력이 전달되도록 하였으며, 후륜의 주행으로 복토 된 흙을 평탄 작업이 되도록 설계하였다. 시작기의 주행은 18 cm 이동 후 다음 심을 자리에서 정지하도록 설계, 제작하였다.

이동장치 제작

이동방식은 바퀴 구동식으로 이동용 바퀴 상하작동은 유압 방식으로 식부작업 시에는 들어올리고 클러치로 동력을 차단하 고, 이동 시에는 바퀴를 내리고 동력을 전달하여 이동하는 방식 으로 제작하였다. 이동용 바퀴는 이앙기용 철차륜(직경 60 cm, 폭 2 cm)을 사용하였다.

동력전달체계는 Fig. 8과 같이 두둑을 주행하는 방식으로써 엔진 동력을 기어와 체인으로 전달하도록 개발하였다. 각부의 작동은 묘 공급 후 식부레버를 누르면 묘 잡기, 식부부 135° 회전, 직선이동, 묘 심기, 다음 심을 자리 흙 파기, 식부부 복 귀, 이동 순서로 작동하면서 순차적으로 엔진에서 생성된 동 력이 캠과 레버의 작동에 의하여 자동으로 전달되도록 기구학 적으로 설계하였다.

반자동 다조정식기 성능시험

시작기의 정식작업 성능시험은 주요 장치부의 단위 공정별 작동시간과 작업시간을 조사하였다. 시험장소는 국립농업과학 원 구내시험포장으로 토질은 마사토였으며, 농가의 포장조성 과 유사하도록 트랙터 로타리로 3회 이상 정지한 후, 농가에 서 재배하는 양식인 두둑폭 90 cm로 두둑을 조성하고, 작업 정밀도는 작조장치가 완전히 상승하면 비상정지 버튼을 작동 하여 모든 작동을 멈춘 후, 작조구 성형각은 공업용 수평계를 이용하였고, 작조 깊이는 스틸 자를 이용하여 측정하였다. 정 식 정밀도는 심어진 자리의 흙을 묘가 보이도록 손으로 걷어 내고, 정식의 깊이는 지면에서 묘의 시작점까지의 깊이를 스 틸자로 측정하였고, 정식각도는 카메라로 촬영 한 후 인쇄하 여 각도를 측정하였다.

연구 결과 및 고찰

포장성능시험 결과

다조식 정식기의 정식작업 시간은 식부, 작조, 이동에 5.4초 가 소요되며, 작업자 2인이 묘 7주를 수동으로 공급하는데 2.5 초, 레버작동에 1.2초 소요되어 정식작업 1 싸이클에 약 9.1초 가 소요되는 것으로 나타났다. 선회 등을 고려했을 때 정식작 업 성능은 7.1 hr/10a으로 나타났다.

작업정밀도

작조성능

작조작업 정밀도를 조사한 결과 작조구 성형각은 10회 측정 한 결과 Table 2와 같이 평균 44.2°로 설계 각도인 45°의 98% 수준으로 매우 정밀하였고, 작조 깊이는 평균 21.6 cm로 설계 깊이인 22 cm에 98%로 작조구가 정밀하게 성형되었고, 이동거리도 설계 18 cm에 비하여 0.1 cm 오차로 매우 정밀한 것으로 나타났다.

정식정밀도

•묘 소질

시험에 사용된 묘는 시중에 판매되는 1년생 인삼 묘로서 상 급의 묘를 구입하였고, 농민의 의견을 반영하여, 직경과 길이 를 대상으로 상(직경 4.8 mm이상), 중(직경 4.2 mm이상, 하 (4.2 mm미만) 3단계로 분류하였다. 묘의 직경, 몸통부의 길이, 전체길이 등을 측정한 결과, 묘소질의 평균길이는 Table 3과 같이 조사되었다.

• 결주율 조사

결주율은 실제로 포장에서 작업 중에 정확하게 측정이 곤란 하여, 기계를 정지한 상태로 묘를 잡을 때와 회전 및 이동 중 에 묘가 떨어지면 결주로 판단하였다. 묘의 크기별로 각각 15 회(총 105개) 시험한 결과 Table 4와 같이 묘가 High 등급일 수록 결주율이 5% 이내 이지만, 묘가 Low 등급인 경우에는 10% 이상으로 기계로 정식하기 위해서는 묘의 선별이 꼭 필 요하였다.

• 정식자세 조사

정식 자세는 정식 후 복토된 흙을 걷어내고 Fig. 9와 같이 사진 촬영 후 좌우로 경사진 각도를 측정하였다. 5회(총 35개) 정식된 묘의 각도 분석결과는 Table 5와 같이 최대 5°, 평균 2.4°, 표준편차는 1.5로 정밀하였다. 정식 후 묘가 정식된 깊이 는 지면에서 뇌두 상부까지 평균 3.6 cm, 표준편차 0.3으로 표준경작방법에서 제시하는 3 ~ 4 cm에 적합하게 정식되었다.

경제성분석

시작기의 정식작업 성능은 Table 6과 같이 2인 작업기준으 로 76%의 노력절감(관행 30 hr/10a → 시작기 7.1 hr/10a)효과 가 있으며, 경제성분석 결과 18%의 비용절감(관행 369,488 won/10a → 시작기 301,223 won/10a) 효과가 있는 것으로 나타났다.

결 론

고추, 배추, 수수, 인삼 등 거의 모든 작물은 수량 및 상품 성 향상을 위해 주로 이식재배를 하고 있다. 그러나 밭작물 정식기는 손으로 심는 정도의 정밀한 작업요구로 기계화가 어 려운 분야이다. 밭작물의 기계화율 향상을 위해서는 다양한 방 식의 정식기 개발이 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 새로운 정식기 개발을 위한 기초 연구로서 반자동 다조식정식 기의 식부 메커니즘을 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다