롤러식 포트파종기는 국내 양파 재배농가에서 주로 사용되는 기계식 파종기로 작업효율은 높지만 관수장치, 포트트레이 적재장치 등의 부재로 인해 순수 인력으로 파종작업이 완료된 포트트레이를 하나씩 온실로 이동시켜 관수작업을 수행한다. 따라서, 육묘과정에 소모되는 노동력 및 노동 부하가 높은 실정이다.
본 연구에서는 양파 파종에 사용되는 롤러식 포트파종기를 대상으로 전체 작동특성을 분석하고 롤러형상 최적설계 및 롤러식 포트파종기 전용 관수장치, 적재장치를 개발하였다.
롤러식 포트파종기의 주요 구성요소와 전체 작동 메커니즘을 분석하였다. 또한, 주요 성능인자의 이동속도와 회전속도를 파악하여 동력전달경로를 분석하였으며 계측을 통해 검증하였다. 롤러의 거동을 모사하는 동적 시뮬레이션을 수행하였다. 고정밀도 3D스캐너를 이용하여 롤러의 치수를 파악하고, 측정된 치수를 통해 3D모델링을 구연하였다. 또한, 각 부의 물성치를 파악하고 이를 적용하여 동적 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과, 파종 깊이를 결정하는 주요 성능인자인 롤러의 경우, 상토 압축 깊이는 약 10 mm이며 응력에 대한 취약부는 브라켓으로 나타났다. 권고 파종 깊이는 코팅 종자의 직경을 감안하여 7 mm로, 권고 파종 깊이와 요구되는 강도를 만족하면서 중량을 최소화하기 위한 롤러 형상 최적설계를 수행하였다. 롤러 형상에 대한 설계 파라미터를 설정하고 최적해를 찾기 위한 해석을 수행하였다. 도출된 롤러 형상을 적용하여 응력에 대한 안전계수 2.0 이상을 만족하면서 중량을 기존 대비 17.7% 감소시킬 수 있었다. 또한, 양파 파종에 요구되는 최적의 상토압축 깊이를 얻을 수 있었다.
롤러식 포트파종기 전용 관수장치를 개발하였다. 개발된 관수장치는 모듈로 제작되어 롤러식 포트파종기에 탈부착이 가능하다. 관수방식은 점적식으로 포트트레이 셀 별 관수가 가능하도록 설계하였다. 또한, float valve system을 물탱크에 적용하여 수도시설의 유무에 상관없이 관수가 가능하도록 제작하였다. 적정 작동조건을 도출하기 위해 관수구멍의 크기 및 수동밸브 개폐 여부를 시험요인으로 설정하여 요인시험을 수행하였다. 요인시험 결과, 파종작업이 완료된 종자에 충분한 물을 관수하고 관수작업 시에 발생하는 복토 유실 및 종자의 위치변형을 최소화하는 조건을 도출할 수 있었다.
파종작업이 완료된 포트프레이를 다단으로 적재가 가능한 롤러식 포트파종기 전용 적재장치를 개발하였다. 개발된 적재장치는 모듈로 제작되어 롤러식 포트파종기에 탈부착이 가능하다. 적정 작동조건을 도출하기 위해 이송벨트 이동속도 및 적재판 상승소요시간을 시험요인으로 설정하여 요인시험을 수행하였다. 요인시험 결과, 적재과정에서 발생하는 종자의 위치변형 및 복토의 손실을 최소화하는 조건을 도출할 수 있었다.
롤러형상 최적설계 및 관수장치, 적재장치 개발에 따른 효과를 검증하기 위해 검증시험을 수행하였다. 기존 파종기와 개선설계 된 파종기로 나누어 각각 파종작업을 수행한 후 양파묘를 키워 생육 상태를 비교분석하였다. 비교분석 결과, 잎의 개수를 제외한 발아율, 줄기 직경, 초장 길이 및 뿌리 길이는 기존 파종기 대비 개선설계 된 파종기를 사용하였을 때 유의한 차이를 보이는 것으로 나타났다. 따라서, 개선설계 된 파종기는 기존 파종기 보다 양질의 묘 생산 측면에서 장점이 있는 것으로 나타났다.
본 연구에서 최적설계 된 롤러 형상 및 개발된 관수장치와 적재장치를 롤러식 포트파종기에 적용하면 노동력 감소, 노동 부하 감소, 양파 재배의 생산성 및 효율성을 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다.

In this study, Operational Characteristics Analysis of Roller-type Pot Seeding Machine and optimization of the roller shape were conducted. Also, the irrigation system and the automatic loading system were developed.
The main components and the operating mechanism for roller-type pot-seeding machine were analyzed. Also, the power path was analyzed, considering that the speed of the main components. The measurement was conducted to verify the power path. The roller and the main components, which require precise dimensioning, were scanned by using a high precision 3D scanner, and 3D modeling of the roller-type pot-seeding machine was performed. Also, the dynamic simulation was performed by using the physical property of each main components. As a result, in the dynamic simulation, the degree of bed soil compression obtained by Roller was 10 mm, and the maximum stress occurred at the bottom of the roller protrusion or at the top of the bracket.
The recommended seeding depth for the seedling production is about 7 mm, considering that the average radius of the onion seeds used for the pot-seeding machine is 2 mm. The design parameter about roller shape was set, and the dynamic simulation was conducted to find the optimal solution. When the optimized roller shape was applied, it was possible to reduce the weight of the roller by 17.7% compared with the conventional one, while satisfying the safety factor of 2.0 or more. The optimum bed soil compaction required for onion sowing was also obtained.
An irrigation system that can be applied to a roller-type onion pot-seeding machine is developed, and the appropriate operating conditions are derived. The developed irrigation system is a drip-type that can be easily installed to the existing roller-type onion pot-seeding machines by its modular design. A factorial experiment was conducted with the hole diameter of the irrigation pipe and the hand valve opening/closing set as the experimental factors.
An automatic loading system that can be applied to the conventional roller-type pot-seeding machine is developed. Also, an automatic loading system can be easily installed to the conventional roller-type pot-seeding machine by its modular design. A factorial experiment was conducted to determine appropriate operating conditions to prevent the change of seed position by the impact when loading plate was raised. The moving speed of convey belt and rising time of loading plate were set as the experimental factors.
The verification test was conducted to investigate the effectiveness of the optimization of the roller shape, developed irrigation system and the automatic loading system. The seeding was conducted by using both the original pot-seeding machine and the pot-seeding machine with the improved design, and the growth conditions of onion seedlings were compared for each group after 8 weeks of growth. As a result, it is clear that using the roller-type pot-seeding machine with improved design can increase the production efficiency of healthy seedlings.
Therefore, applying the optimization roller shape, developed irrigation system and automatic loading system derived from this study to existing roller-type pot-seeding machine may decrease the labor force and increase production efficiency of healthy seedling.