비상정지장치의 안전성 시험

승강기부품의 안전인증⑤

비상정지장치의 안전성 시험

 

 

엘리베이터의 추락을 방지하는 비상정지장치는 엘리베이터의 안전장치 중 가장 중요한 핵심부품이라고 할 수 있다. 비상정지장치는 충분한 제동력을 확보하여야 하고 작동 시 안전하게 정지하도록 설계되어야 한다. 글 이주환(한국산업기술시험원 팀장)

 

 

 

[그림 1] E.G 오티스 비상정지장치의 실험

세계 최초 승강기 전문회사를 설립한 E.G 오티스는 1854년 뉴욕에서 개최된 ‘크리스털 팰리스(crystal Palace) 박람회’에서 자신이 직접 제작·설치한 개방형 엘리베이터에 탑승한 후 로프를 절단하여 엘리베이터가 안전하게 비상정지하는 공개 실험을 하였다. 이후 안전성이 보장된 승객용 엘리베이터를 본격적으로 보급하게 된다.

 

 

 

 

 

비상정지장치의 종류

비상정지장치는 크게 즉시작동형과 점차작동형 2종류로 나눈다. 정격속도가 1㎧ 이하인 저속으로 운행하는 화물용 엘리베이터에는 즉시작동형 비상정지정치장치가 사용된다. 이 경우 사람이 타지 않으므로 감속도 규정은 적용하지 않으며 충분한 제동력을 갖는지를 시험하여 인증한다.

반면에 승객용 엘리베이터에 사용되는 점차작동형 비상정지장치는 작동 시 카 내 승객에게 갑작스런 충격으로 인한 피해를 발생시키지 않도록 감속도를 0.2~1G로 규정하고 있다. 또한 점차작동형 비상정지장치는 주로 엘리베이터 정격속도 1㎧ 이상에서 사용되며 작동속도는 정격속도의 1.15배에서 1.5배 이내에서 작동하도록 규정하고 있다.

 

 

 

[그림 2] 비상정지장치 시험설비(KTL)

 

즉시작동형 비상정지장치의 시험

즉시작동형비상정지장치의 시험은 비상정지장치를 가이드레일에 물려서 천천히 힘을 가하는 방식으로 시험한다. [그림6]은 즉시작동형 비상정지장치의 시험을 나타낸다. 해당 시험장비는 비상정지장치의 블록 혹은 레일에 영구변형이 발생하는 지점까지 힘의 함수로 표시된 움직인 거리를 측정한다.

비상정지장치의 용량은 [그림5]에서 측정된 ‘힘-거리 도표’에서 아랫부분 면적을 적분하여 정한다. 비상정지장치가 흡수할 수 있는 총 에너지는 아래 식(1)과 같다.

 

 

 

 

여기에서

K：(도표에 따라 계산된)비상정지장치 블록 1개에 의해 흡수된 에너지(J)
P ： 빈 카 및 카에 의해 지지되는 부품 즉, 이동 케이블의 부품, 균형로 프/체인(있는 경우) 등의 중량(㎏)
Q : 정격하중(㎏)
(P＋Q)1：허용 가능한 중량(㎏)
h : 자유낙하 거리(m)는 아래 식(2)로 산출된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

즉시작동형 비상정지장치의 허용 가능한 중량(㎏)의 결정은 시험 후 비상정지장치의 블록에 영구변형이 없는 경우 다음 식(3)과 같이 계산한다.

 

 

 

여기서, 2는 안전계수

 

또한 시험 후 블록 혹은 물림요소에 대한 경도를 측정하여 그 값의 변화여부를 평가한다. 즉시작동형 비상정지장치는 위에서 결정된 허용 가능한 중량을 초과하여 사용할 수 없다.

 

 

[그림 7] U 스프링 점차작동형 비상정지장치

 

점차작동형 비상정지장치의 시험

점차작동형 비상정지장치는 시험타워(Test Tower)에 설치하여 시험한다. 신청자가 제시한 최소 및 최대 용량에서 각각 4회의 낙하시험을 한다.

안전 시험 신청인은 해당 제품을 시험탑에 설치하고 비상정지장치가 적용될 레일의 종류, 적용속도 등 기술자료를 제공하여야 한다.

시험탑에 설치된 비상정지장치는 조속기와 비상정지장치를 연결하거나 혹은 비상정지장치를 동작할 수 있도록 슬리브로 고정된 로프를 사용하기도 한다.

한국산업기술시험원(KTL)에서는 슬리브로 고정된 로프를 사용하며 자유 낙하거리(h)는 조속기 작동속도를 고려하여 식(2)와 같이 선정한다.

시험하중을 싣고 4회의 시험을 하는 동안, 각 시험마다 제동력 시험이 이루어지지 않은 가이드 레일 부분에서 시험을 실시하며, 시험 중 아래 값을 측정한다.

a) 총 낙하 높이
b) 가이드 레일 상에서의 제동 거리
c) 조속기 로프 또는 이에 대신하는 장치의 미끄러짐 거리
d) 스프링을 구성하는 부품의 전체 이동 거리
e) 평균 감속도

 

측정 a) 및 b)는 시간의 함수로 기록되어야 한다.
허용 가능한 중량은 다음 식(4)를 사용하여 계산한다.

 

 

 

여기에서

FB : 제동력(N)
P： 빈 카 및 카에 의해 지지되는 부품 즉, 이동케이블의 부품, 균형로프/체인(있는 경우) 등의 중량(kg)
Q： 정격 하중(㎏)
(P＋Q)1： 허용 가능한 중량(㎏)

 

시험하는 동안 결정된 평균 제동력(FB)이 위에 규정된 평균 제동력 값의 ± 25% 범위 안에 들어 있는 지 확인하여야 한다. 즉 비상정지작동 시 평균감속도가 0.2~1G 이내인지를 평가하며 이를 벗어나면 부적합 처리한다.

 

 

[그림 11] 비상정지장치 시험 전후 깁

 

비상정지장치 설치의 중요성

비상정지장치의 동작을 살펴보면, 과속으로 조속기가 작동하여 비상정지장치의 작동레버( Actuating Lever)를 회전시켜 깁(Gib)을 위로 올리고 깁은 가이드레일에 물리게 되어 위로 밀려 올라가게 된다. 깁이 상부로 밀려올라 감에 따라 비상정지장치 블록 또는 죠 스프링(Jaw Spring)은 힘을 받고 압축되면서 충격을 흡수하여 카를 멈추게 한다.

 

일반적으로 점차작동식 비상정지장치의 경우, 표기된 중량은 허용 가능한 중량보다 ±7.5% 만큼 다를 수 있다. 이것은 가이드 레일의 두께에 대한 일반 공차, 표면 조건 등에도 불구하고 비상정지장치가 규정에 맞게 설치되었다는 전제 하에서 받아들일 수 있다.

 

 

[그림 12] 시험 전·후 깁의 경도 측정

따라서 가이드 레일면과 세이프티 블록 깁 간의 간격은 설계에 따라 정밀하게 설치하여야 한다. 설치자는 가장 불리한 조건(제조 공차의 누적)하에서도 물림부품(Gib)의 이동 거리가 충분한지, 죠 스프링(JAW SPRING)을 형성하는 부품의 이동 거리가 충분한지 확인하여야 한다. 설치의 미세한 오차가 비상정지장치의 기능 및 안전에 큰 영향을 미치기 때문이다.

1854년 E.G 오티스가 비상정지장치의 시험을 통해 안전을 입증하는 데서 엘리베이터는 시작되었고, 이같이 비상정지장치의 안전성을 확보하는 것은 앞으로도 엘리베이터 안전 확보에 가장 중요한 것이다.