[논문]로프 브레이크의 최적형상에 관한 연구

이종선

가설 설정

브래킷 바닥면에 구속조건을 부여하였고 로프 브레이크가 작동되어 라이닝이 로프를 제동시킴으로서 로프가 본 장치를 당기는 힘인 1426kgf를 7개의 로프에 적용하였고 설치 각도에 따라 0° 〜90°의 각도변화를 적용하였다. contact 조건으로 하우징과 슬라이더가 접하는 부분은 마찰을 무시하기 위하여 미끄럼마찰을 적용하였으며, 라이닝과 로프가 접하는 부분은 슬라이더와 결합되어지는 상부라이닝과 로프는 고정되어 있다고 가정하였으며, 제동 시 라이닝과 로프의 마찰을 고려하기 위하여 로프와 접하는 하부라이닝 면에 마찰계수 0.28을 적용하였다.

제안 방법

(1) 1차, 2차 하우징의 구조해석에 대해 보강형상의 높이를 5~ 15mm, 위치를 5~10mm로 변화시켰으며, 필렛의 크기를 3〜 15mm로 변화시키면서 구조해석을 수행하여 각 형상에 대한 응력과 변형률 분포를 얻을 수 있었으며, 엘리베이터 제작ㆍ안전기준에 준하며 구조적으로 알맞은 최적형상을 결정하였다.
12는 2차 하우징의 보강을 위해 필렛 반지름을 변화시킨 부분을 나타낸다. 2차 하우징 영역에 대한 구조해석은 기초 설계된 하우징의 가이드 홈 부분의 필렛 형상에 있어서 필렛의 반지름을 3mm, 6mm, 9mm, 12mm, 15mm의 변화를 주어 수행한다. Fig.
로프 브레이크 제품개발 단계에서 1차 모델을 적용한 해석을 적용하여 하우징의 최적형상을 결정하였고, 제품의 양산에 이용하였다. 2차 하우징의 모델은 1차 하우징의 보강을 전제로 한 모델과는 달리하여 초기 설계모델의 상부 필렛에 변화를 주어 해석을 수행하였다.
28을 고려하여 제동력, 즉 마찰력을 구하는 식 (1)을 이용하여 산정하였다. 또한 계산된 마찰력을 활용하여 구조해석을 수행하였다^(6,7).
로프 브레이크 제품개발 단계에서 1차 모델을 적용한 해석을 적용하여 하우징의 최적형상을 결정하였고, 제품의 양산에 이용하였다. 2차 하우징의 모델은 1차 하우징의 보강을 전제로 한 모델과는 달리하여 초기 설계모델의 상부 필렛에 변화를 주어 해석을 수행하였다.
로프 브레이크의 형태는 여러 가지 형태가 있으며 본 논문에서 고려한 형태는 기존에 형태와는 구조상으로 많은 차이점을 두어 로프식 엘리베이터의 제작ㆍ안전 기준에 따른 하중조건에 의하여 기능성과 안정성을 더욱 향상시켰으며 로프 브레이크 장치의 안전한 설계를 위하여 기본 설계한 하우징 영역에 대하여 하중이 집중될 것으로 예상되는 상부 영역에 보강 형상을 추가하여 높이와 위치 변화에 따른 구조해석을 수행한다.
본 논문에서는 하우징의 최적형상을 기초로 로프 브레이크 전체 형상을 설계하고, 그 최적형상에 대하여 구조해석을 실시 한 후 응력과 변형률, 전단응력 등을 비교 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
브래킷 바닥면에 구속조건을 부여하였고 로프 브레이크가 작동되어 라이닝이 로프를 제동시킴으로서 로프가 본 장치를 당기는 힘인 1426kgf를 7개의 로프에 적용하였고 설치 각도에 따라 0° 〜90°의 각도변화를 적용하였다. contact 조건으로 하우징과 슬라이더가 접하는 부분은 마찰을 무시하기 위하여 미끄럼마찰을 적용하였으며, 라이닝과 로프가 접하는 부분은 슬라이더와 결합되어지는 상부라이닝과 로프는 고정되어 있다고 가정하였으며, 제동 시 라이닝과 로프의 마찰을 고려하기 위하여 로프와 접하는 하부라이닝 면에 마찰계수 0.
하우징의 최적형상을 기초로 하여 로프 브레이크 전체 형상을 설계하고, 최적 설계된 하우징이 결합된 로프 브레이크 형상에 대하여 같은 구속조건과 하중조건을 부여하여 설치 각도에 따른 구조해석을 실시 한 후 로프 브레이크 전체 형상에 대한 최대응력과 최대변형률 등을 비교하여 구조적 타당성을 검토한다^4,5).
필렛의 크기가 3mm〜9mm까지 커질수록 최대응력과 최대변형률의 감소폭이 큼을 알 수 있었으며, 9mm〜 15mm의 변화에 있어서는 최대응력과 최대변형률의 감소폭이 작아짐을 확인할 수 있었다. 해석 결과를 비교 검토하여 최적 형상을 결정하였는데, 최대응력과 최대변형률의 감소폭이 작아지기 시작하고 엘리베이터 제작ㆍ안전기준에 따른 허용응력을 기준으로 하여 허용응력에 만족하는 필렛 9mm의 보강된 하우징으로 결정하였다.
해석옵션으로는 정상상태(steady state)를 적용하고, 접촉조건(contact condition)은 하우징과 슬라이더가 접하는 부분에 마찰조건을 부여하였으며, 마찰은 완전 미끄럼마찰을 적용하였다.

대상 데이터

본 해석에 사용된 로프 브레이크의 재질은 GCD 500(구상흑연주철)이며 물성치는 Table 2와 같다.
해석에 사용되는 재질과 압력조건, 구속조건 그리고 경계조건은 1차 하우징과 동일하며 344, 043개의 절점과 228, 393개의 요소로 유한요소 모델을 생성한다.

성능/효과

(2) 1차 하우징의 구조해석 결과 위치 변화에 따른 최대응력과 최대변형률의 변화가 작게 나타남을 알 수 있었고, 2차 하우징의 해석 결과 3〜9mm의 필렛의 크기변화에 있어 최대응력과 최대변형률, 최대전단응력이 크게 나타나며 9mm 이상에서는 작은 감소폭이 나타남을 알 수 있었다.
(3) 응력 분포는 응력 집중이 예상되는 부분에 발생하는 것을 확인하였으며 최대응력의 발생 부분은 하우징과 결합되어지는 back cover로서 이는 볼트 홈의 지지부가 얇기 때문이다.
(4) 로프 브레이크의 구조적 형상에 있어 장착각도 15°, 30°, 45º에서 허용안전률이 7.33 〜7.44로 약간 벗어남을 나타내지만 이는 볼트 체결시 각 부품들의 긴밀한 결속을 유도함으로서 구조적으로 안정적임을 확인할 수 있었으며, 허용전단응력도 안정적임을 알 수 있었다.
2차 하우징의 해석결과를 살펴보면 1차 하우징과 마찬가지로 가이드 양쪽 필렛 영역에서 응력과 변형률의 분포가 두드러짐을 확인할 수 있었으며 필렛의 크기가 커짐에 따라 최대응력과 최대 변형률, 최대 전단응력이 감소함을 나타낸다.
필렛의 크기변화에 따라서 최대응력과 최대변형률이 발생하는 부분은 1차 하우징 모델과 동일 위치인 전면커버 결합부에서 발생하였으며 발생원인은 동일하다. 필렛의 크기가 3mm〜9mm까지 커질수록 최대응력과 최대변형률의 감소폭이 큼을 알 수 있었으며, 9mm〜 15mm의 변화에 있어서는 최대응력과 최대변형률의 감소폭이 작아짐을 확인할 수 있었다. 해석 결과를 비교 검토하여 최적 형상을 결정하였는데, 최대응력과 최대변형률의 감소폭이 작아지기 시작하고 엘리베이터 제작ㆍ안전기준에 따른 허용응력을 기준으로 하여 허용응력에 만족하는 필렛 9mm의 보강된 하우징으로 결정하였다.

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