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토양과 기계의 상호작용 현상을 연구하는 토양-기계 시스템공학 분야의 전문 입문서

토양-기계 시스템공학은 노외차량의 추진력, 토공기계의 절토, 농업기계의 경운과 같은 토양과 기계의 상호작용 현상을 연구하는 학문 분야이다. 이 책은 이 분야의 전문 입문서로서 토양의 공학적 성질, 파괴이론, 견인역학, 차량 주행성, 토양절삭 등 토양과 기계의 상호작용에 대한 기본 이론과 원리를 소개하고 이를 이용한 노외차량의 견인성능과 야지 주행성 예측, 모형이론을 응용한 토양-기계 시스템의 실험방법 등을 다루었다. 대학교 상급 학년 또는 대학원 수준의 교재로 집필하였으나 노외차량의 주행장치, 토양 절삭기구 등을 설계하고 생산하는 산업계의 엔지니어도 참고할 수 있도록 하였다.

머리말

제1장 토양의 물리적 성질
1. 영구적 성질
2. 일시적 성질
3. 토양 분류
4. 함수율과 토성의 현장 확인
◆ 연습문제
◆ 참고문헌

제2장 토양의 공학적 성질
1. 토양의 응력과 변형률
2. 토양의 응력분포
3. 토양의 강도
4. 마찰
5. 점착력
◆ 연습문제
◆ 참고문헌

제3장 토양의 파괴
1. 몰-쿨롱의 파괴이론
2. 한계응력
3. 슬립라인
4. 랜킨의 토압이론
5. 토양지지력
◆ 연습문제
◆ 참고문헌

제4장 토양의 변형
1. 토양의 압력-침하
2. 전단응력과 전단변위
3. 슬립침하
4. 원추지수
5. 토양다짐
◆ 연습문제
◆ 참고문헌

제5장 견인역학
1. 주행장치와 노면의 상호작용
2. 토양추진력
3. 운동저항
4. 불도징저항
5. 차륜의 토양추진력, 견인력, 운동저항
6. 견인계수와 견인효율
◆ 연습문제
◆ 참고문헌

제6장 주행성
1. 주행성 예측의 원리
2. 주행성상수
3. 차량원추지수
4. 차량-지형 상호작용의 모형
5. 접지압
6. 동계기동성 모델
7. 토양주행성
◆ 참고문헌

제7장 토양 절삭
1. 매끄러운 수직날
2. 경사날
3. 토양의 무게를 고려한 예측모형
4. 수동토압을 이용한 예측모형
5. 협폭 절삭날
6. 관성의 영향
7. 한계경심
8. 곡선형 절삭날
◆ 연습문제
◆ 참고문헌

제8장 토공기계
1. 작업능력
2. 작업능률
3. 주요 토공기계
◆ 참고문헌

제9장 토양-기계 시스템의 상사이론
1. 차원해석법
2. 모형이론
3. 독립무차원 함수
4. 차원해석법의 응용
◆ 연습문제
◆ 참고문헌

연습문제 풀이
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토양에는 토양강도의 범위 내에서 작용-반작용의 법칙에 의하여 구동장치에서 전달된 힘과 같은 크기의 반력이 발생한다. 구동장치에서 전달된 힘이 토양이 지지할 수 있는 힘 이상으로 증가하면 토양은 파괴되고 전달된 힘은 모두 추진력으로 전환되지 못한다. 즉 에너지 손실이 발생하며, 또한 구동장치에는 슬립이 발생한다. 이러한 추진력 발생현상은 토양의 강도뿐만 아니라 구동장치에 의해서도 변하기 때문에 실제적으로는 토양과 구동장치의 상호작용(interaction)에 의하여 결정된다고 할 수 있다. (149쪽)

주어진 토양과 지형조건에서 차량의 주행성능은 주행가능 여부와 주행이 가능한 경우에는 얼마나 빠른 속도로 주행할 수 있는가에 의하여 평가된다. 차량이 자신의 고유한 임무를 수행하면서 한 지점에서 다른 지점으로 이동할 할 수 있는 능력을 차량의 주행성(vehicle mobility)이라고 하며, 차량의 주행성은 차량 동력원의 출력과 차량의 구동장치와 토양 및 지형 사이의 상호작용에 의하여 결정된다. 차량이 주행하는 토양과 지형의 조건에는 토성, 토양 함수비, 토양강도, 식생(vegetation), 장애물, 하천, 경사도, 지면 거칠기, 시계 등 많은 변수가 포함되며, 그중에서도 토성, 토양 함수비, 토양강도 등 토양조건의 영향이 가장 크다. 차량의 주행을 지지할 수 있는 토양의 능력을 토양주행성(soil trafficability)이라고 한다. (195쪽)

차량원추지수(vehicle cone index)는 1960년대 미국 육군수로시험소(US Army Waterways Experiment Station)에서 차륜형 차량의 주행성능을 평가하기 위하여 개발한 성능변수로서 WES VCI 모형이라고 한다. 차량원추지수의 개념은 차량이 주행하는 데 필요한 최소한의 토양강도로서, 어떤 차량이 같은 노면을 1회 또는 50회 통과하는 데 필요한 최소한의 정격원추지수(rating cone index)로 정의된다. 따라서 토양의 강도가 차량원추지수보다 크면 차량은 이 토양에서 최소한 1회 또는 50회 통과가 가능하며, 반대로 토양강도가 차량원추지수보다 작으면 1회 또는 50회 통과가 불가능한 상태의 토양이다. (200쪽)

절삭날의 속도가 증가하면 토양을 절삭하는 데 필요한 힘도 증가한다. 이는 절삭한 토양을 계속 가속시키는 데 필요한 힘과 절삭날에 의하여 전단속도가 증가함에 따라 전단저항을 극복하는 데 필요한 힘이 증가하기 때문이다. 사질토의 경우에는 전단속도가 전단저항에 미치는 영향이 크지 않기 때문에 증가된 힘은 대부분 절삭된 토양을 가속하는 데 이용된다. 그러나 점토의 경우에는 전단속도의 영향이 크기 때문에 증가된 힘은 대부분 전단저항을 극복하는 데 이용된다. (267쪽)