KR100342178B1 - 기계 제어용 스틸 와이어 로프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스틸 와이어 로프에 관한 것으로, 다수의 외층 스트랜드로 둘러싸인 중심(core)을 고성능 합성섬유심으로 구성하고, 외층 스트랜드를 9 ×7 구조로 하여 와이어 로프의 유연성과 윤활성 및 방청성을 향상시킨 기계 제어용 스틸 와이어 로프에 관한 것이다.본 발명의 와이어 로프는 합성섬유 원사를 수 십 가닥 꼰 얀 섬유단을 다시 꼬아 스트랜드를 구성하여 중심으로 사용하므로써 그리이스의 함침율을 높여주고, 외층 스트랜드를 구성하는 소선의 경을 줄이므로써 로프 경을 유지하면서 종래 6본 내지 8본으로 구성되던 외층 스트랜드 수를 9본으로 증가시켜 외층 스트랜드의 유연성과 하중 분산성을 개선시킴에 기술적 특징이 있다.

본 발명의 와이어 로프를 구성하는 상기 합성섬유심은 탄성 변형 범위와 그리이스 흡착 능력 면에서는 종래의 강심에 비하여 우수한 능력을 보임에 따라 외부 하중에 대한 변형 회복 능력이 뛰어날 뿐아니라, 외층 스트랜드에 대한 그리이스의 지속적인 공급 능력을 보유함에 따라 외층 스트랜드들 간의 윤활성을 향상시켜 내마모성과 방청성을 향상시켜 주며, 9본의 외층 스트랜드 역시 선경 감소에 따른 자체의 유연성 향상으로 내마모성이 개선되므로써 종래의 와이어 로프보다 현저한 내피로성 향상이 이루어 지는 이점이 있다.

Description

기계 제어용 스틸 와이어 로프{Steel wire rope for controlling machine}

본 발명은 콘트롤 케이블(control cable)이라고도 불리는 기계 제어용 스틸 와이어 로프에 관한 것으로서, 더 자세하게는 와이어 로프를 구성하는 중심 스틸 스트랜드를 내구성과 형태 유지성 및 함유(含油) 성능이 우수한 합성섬유 스트랜드로 변경하고, 종래 6개 또는 8개의 외층 스트랜드 구조를 9개의 외층 스트랜드 구조로 바꿔주므로써 와이어 로프의 형태를 장시간에 걸쳐 안정적으로 유지시켜 주고, 중심의 합성섬유 스트랜드에 함유된 그리이스에 의하여 스트랜드들 사이의 윤활성을 지속적으로 확보하여 내구성을 향상시킨 스틸 와이어 로프에 관한 것이다.

일반적으로, 종래의 콘트롤 케이블은 도1과 도2에 도시한 바와같이 7 ×7 또는 8 ×7 + 1 ×19 구조로 되어있다. 즉, 1 ×7 구조(11) 또는 1 ×19 구조(21)의 중심 스트랜드를 다수 개의 외층 스트랜드들(12)(22)이 외곽으로 둘러싸면서 꼬인 구조로 이루어진다.

상기와 같은 구조의 콘트롤 케이블에 축방향 하중이 부여될 때, 부여된 하중의 작용도를 도4에 도시하였다.

도시한 바와같이, 외층 스트랜드에 가해지는 축방향 하중(41)은 외층 스트랜드의 길이 방향과 수직한 방향의 힘(42)과 스트랜드 길이방향의 힘(43)으로 분해된다.

스트랜드 길이 방향에 수직한 방향 즉, 스트랜드간 경계면에 수직한 힘(42)은 연각(撚角)(44)을 감소시키고 스트랜드간 경계면에서의 마찰력 크기에 관여하게 되며, 스트랜드 길이 방향으로 작용하는 힘(43)은 스프링이 늘어나는 경우처럼 스트랜드의 회전 곡률을 감소시키는 방향으로 작용하는데 이는 곧, 중심 스트랜드를 향한 압축력으로 작용함을 의미한다.

즉, 스트랜드 경계면에 수직한 힘(42)은 연각(44)을 감소시켜 스트랜드의 길이 방향을 축방향과 일치시키려 하고, 이 때 발생하는 회전 모멘트 역시 중심을 향해 압축력을 작용시키므로써 스트랜드 길이 방향에 의한 압축력과 함께 상호 상승 작용을 하게된다.

따라서, 케이블의 중심 스트랜드는 외층 스트랜드들의 압축력에 의하여 형태가 붕괴될 가능성이 상존하게 되는 바, 중심 스트랜드는 장시간 사용에도 불구하고 처음의 기본 구조를 유지할 수 있는 내구성을 갖추어야 할 뿐만 아니라, 외부 환경에 대한 외층 스트랜드의 내식성을 유지해 주기 위하여 외층 스트랜드에 그리스를 지속적으로 공급할 수 있는 우수한 함유 능력을 보유하여야만 한다.

스틸 와이어 로프의 성능에 상기와 같이 중요한 역할을 하는 중심(core,中芯)으로서는 섬유심, 강심(鋼芯) 등이 있으며, 섬유심은 인조섬유(합성섬유)심과 천연섬유심으로, 강심은 별도의 스트랜드심(IWSC, Independent Wire Strand Core)과 별도의 로프심(IWRC, Independent Wire Rope Core)으로 구분된다.

섬유중심은 와이어 로프의 형태를 유지하고 로프의 마모나 부식을 방지하기 위한 로프 그리이스의 원천이며, 강심에 비하여 로프에 큰 유연성을 줄 뿐아니라 충격이나 진동에 대하여 저항성이 있고, 중량도 가벼워 로프의 수명에 중요한 역할을 한다.

상기 섬유중심의 하나인 천연섬유심은 그리이스를 흡유시켰을 때 그리이스에 대한 흡수율이 양호하여 외층 스트랜드에 대하여 지속적인 그리이스의 공급이 가능한 반면에, 가혹한 사용 조건 아래서는 외층 스트랜드의 압력에 의해 쉽게 변형되어 와이어 로프의 형상 유지가 어려운 단점이 있다.

그리고, 인조섬유심은 천연섬유심보다 그리이스의 흡수율이 낮아 외층 스트랜드의 방청성과 윤활성에의 기여도는 적으나 천연섬유심에 비하여 강성(剛性)이 높아 장시간 사용에 따른 외층 스트랜드의 압력을 견디는 능력이 좋아 와이어 로프의 형상 유지 측면에서는 유리하다.

한편, 또다른 중심인 강심은 높은 외압에도 잘 견디는 특성을 가져 와이어 로프의 형상 유지 능력은 탁월하고 로프의 절단 하중을 높여 주는 잇점이 있으나 섬유중심에 비하여 그리이스의 함침율이 낮아 스트랜드 사이의 윤활성이 떨어지고 유연성이 부족하며 내식성에 있어서도 미치지 못한다.

따라서, 상기의 강심이 요구되는 로프는, 로프 경(徑)을 바꾸지 않고 절단하중을 높이고자 할 때와, 로프의 신율을 적게 할 때와, 로프에 측압이 부여되어 형태파괴되는 것을 방지할 때 및 로프를 고온의 장소에서 사용할 때 등으로서, 기계 제어용 와이어 로프는 소형 시브(sheave)나 드럼 등에 의한 빈번한 굴곡운동으로 인한 형태변화의 방지와 적절한 인장력 확보를 위하여 강심의 와이어 로프가 사용되어 왔다.

종래 일반적으로 사용된 7 ×7 구조의 기계 제어용 스틸 와이어 로프의 단면 구조를 도1에 도시하였다.

도시한 바와같이, 상기 와이어 로프는 중심 스트랜드(11)와 외층 스트랜드 (12)는 같은 수의 소선과 동일한 구조로 이루어진 스트랜드심의 와이어 로프로서, 일반적으로 스트랜드심은 외층 스트랜드와 같은 구조의 것이 사용되며, 그 꼬임 방향은 로프의 꼬임 방향과 역방향으로 하는 것이 보통이다.

그러나, 상기 7 ×7 구조의 스트랜드심 와이어 로프는 유연성이 떨어져 동적인 용도에 사용하기는 내구성이 떨어지기 때문에 유연성 확보를 위한 방법으로서 소선 경을 줄이고 스트랜드의 구조를 변화시킨 구조가 연구되었다.

즉, 미국 특허공보 5,475,973에는 8 ×7 + 1 ×19 구조가 개시되고 있는 바, 그 와이어 로프의 단면 구조를 도2에 도시하였다.

도시한 바와같이, 스트랜드를 구성하는 소선의 선경을 줄여 중심 스트랜드를 1 ×7 구조에서 1 ×19 구조로, 외층 스트랜드를 6 ×7 구조에서 8 ×7 구조로 변경하므로써 동일한 경의 와이어 로프에서 소선의 수가 증가하였고, 따라서 로프의 유연성이 향상되어 피로 수명이 개선되는 효과를 가져왔다.

상기와 같이 소선의 경을 줄여 소선 수를 늘리므로써 와이어 로프 자체의 유연성 개선은 이루어 졌으나, 상기 와이어 로프의 특성상 중심 스트랜드에 함침된 그리이스가 적어 스트랜드들 간의 윤활성이 부족하게 된다.

그리고, 중심 스트랜드와 외층 스트랜드의 접촉이 점접촉 형태를 이룸에 따라 응력 집중에 의한 단선 발생이 쉬우며, 이러한 점접촉 상태에서는 외층 스트랜드가 중심 스트랜드에 의해 떠받쳐짐으로써 외층 스트랜드가 굴곡되는 경우가 빈번히 발생하는데 이와같이 굴곡 응력을 많이 받는 구조는 로프의 수명단축과 밀접한 관계가 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 동적인 상태에서 연속적인 굴곡·왕복 운동을하는 기계 제어용 와이어 로프는 로프 자체의 유연성 확보와 스트랜드들 간의 지속적인 윤활성 유지가 중요하며, 또한 외층 스트랜드의 집중된 압력을 분산하므로써 중심 스트랜드가 로프의 형태를 유지할 수 있도록 하는 것이 필수적이다.

따라서, 윤활성과 유연성 향상을 위하여 그리이스 함침율이 높고 강심에 필적하는 정도의 고강도 합성섬유심을 중심 스트랜드로 하고, 유연성 및 압력 분산성이 우수한 외층 스트랜드 구조의 기계 제어용 스틸 와이어 로프를 제공함에 목적이 있다.

도 1은 6 ×7 + 1 ×7 구조의 스틸 와이어 로프 단면도.

도 2는 8 ×7 + 1 ×19 구조의 스틸 와이어 로프 단면도.

도 3은 본 발명 9 ×7 + 합성섬유심 구조의 스틸 와이어 로프 단면도.

도 4는 와이어 로프에 부여된 축방향 하중의 작용도.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

12,22,32. 외층 스트랜드 11,21.중심스트랜드

31. 합성섬유심 44. 연각

본 발명의 상기 목적은 얀(yarn) 섬유단(纖維團)으로 구성된 고성능 합성섬유심을 중심으로 하여 9개의 외층 스트랜드로 이루어진 구조에 의하여 달성되며, 외층 스트랜드는 1 ×7 구조로써 도3에 본 발명 기계 제어용 스틸 와이어 로프의 단면 구조를 도시하였다.

구 분	밀도(g/cm3)	강도(GPa)	파단 연신율(%)
다이니머(Dyneema)	0.97	3.6	3.8
스 틸	7.86	1.8	1.1

* 상기 다이니머는 직경 0.2mm인 얀 섬유단이며, 스틸은 동일직경의 소선임.상기 표 1의 '다이니머'는 본 발명의 합성섬유심에 사용되는 일예로써, 네덜란드 디에스엠(DSM) 사에서 생산되는 초고분자 폴리에틸렌 섬유를 지칭하며, 탄소강이나 폴리우레탄보다 내마모성이 우수한 동시에 내피로, 내응력성,내열수성 등이 뛰어난 합성섬유이다.

또한, 종래 스틸 와이어 로프에 채택된 중심 스트랜드는 금속 특유의 변형 저항성이 크므로 형태 유지성이 좋은 반면에, 탄성변형 범위가 좁아 일단 변형이 일어나면 소성변형을 일으키게 되어 형태 회복이 불가하여 로프의 수명이 줄게 되지만, 상기 특수 재질의 합성섬유심은 강심에 필적하는 강도를 가지면서도 탄성변형 범위가 넓어 강심에 비하여 변형은 쉽게 일어나지만 형태 회복이 빠르므로써 오히려 강심보다 형태 유지 능력이 우수하다.

그리고, 상기 합성섬유심(31)을 감싸는 외층 스트랜드(32)는, 동일경의 로프에 있어서 종래의 외층 스트랜드(12)(22)를 구성하는 소선(12A)(22A)의 경보다 더욱 작은 선경의 소선(32A)을 연선하여 종래 6개(12) 혹은 8개(22)의 외층 스트랜드로부터 1 ×7 구조의 9개 스트랜드로 구성되므로써, 외층 스트랜드의 유연성이 개선되고 외층 스트랜드에 부여되는 하중의 분산이 원활하게 이루어져 와이어 로프의 내피로성이 향상된다.

본 발명의 목적과 자세한 기술적 특성 및 작용 효과는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의하여 명확하게 이해될 것이다.

우선, 인장강도가 250Kgf/mm²인 소선을 사용하여 직경 0.7mm인 1 ×19 구조의 종래 중심 스트랜드와 직경 0.9mm인 본 발명의 합성섬유심을 제조하여 중심의 윤활작용 및 방청 능력에 필요한 그리이스의 부착률과 박리성을 비교·조사하였으며, 그리이스 부착률에 대한 결과는 다음의 표1과 같다.

구 분	그리이스 부착률(%)
본발명의 합성섬유심	16∼22
종래의 스틸 스트랜드	1.5∼2

상기 결과에 대한 시험조건은 110℃의 용해된 그리이스(KY type)에 상기 두 종류의 중심을 2분 동안 침적시킨 후, 5% 염수용액에서 24시간 침적·탈유한 다음 중심에 잔존하는 그리이스 양을 측정하였으며, 그리이스 부착률은 아래 식으로 구하였다.

상기의 그리이스 부착률은 초기 도포·부착된 그리이스가 어떤 중심에 잘 부착되는 가를 판단하는 기준이 될 수 있다.

그리고, 두 중심에 대하여 실 사용환경에서의 장시간 사용에 따른 중심의 그리이스 보존 능력을 조사하기 위하여 염수 용액 속에 심강을 장시간 침적시킨 후의 그리이스 잔존율을 조사하였으며, 그 결과는 아래 표와 같다.

구 분	그리이스 잔존율(%)
본 발명의 합성섬유심	75∼80
종래의 스틸 스트랜드	5∼10

표2의 결과는, 동일양의 그리이스를 도포한 두 중심을 5% 염수용액 중에서 1200시간동안 침적시킨 후, 드라이 오븐에서 60℃, 24시간 건조한 다음 중량을 측정하여 아래 식에 의하여 계산하였다.

상기 표2에서 알 수 있듯이 본 발명의 와이어 로프 중심이 종래의 것보다 염수용액 분위기에서도 그리이스의 잔존율이 8배 이상 높은 것으로 나타났다. 따라서, 와이어 로프의 중심이 외층 스트랜드에 그리이스를 공급하므로써 얻어지는 윤할성과 방청성에 있어서 본 발명의 와이어 로프 중심이 종래의 것보다 우수함을 알 수 있다.

상기의 두 종류 중심에 외층 스트랜드를 연선하여 본 발명의 9 ×7 + 합성섬유심 구조의 와이어 로프와 8 ×7 + 1 ×19 구조의 와이어 로프를 제조하였다.

여기서, 본 발명의 와이어 로프는 아연도금된 선재로 제조되었으며, 종래의 와이어 로프는 내식성 향상을 위해 아연-알루미늄 합금 도금된 선재로 제조되었으고, 이와 같이 제조된 두 종류 와이어 로프에 대한 피로시험과 내식성 시험을 실시하였다.

두 종류 시험재의 사양 및 피로시험 결과는 표3, 내식성 시험 결과는 표4와 같다.

구 분	구 조	지름(mm)	소선 등급	피 로 치
본 발명품	9 ×7 + 합성섬유심	1.5	250kgf/mm2	57,800∼63,500회
종래 제품	8 ×7 + 1 ×19	1.5	250kgf/mm2	35,200∼41,600회

상기 피로시험 조건은 추의 무게 10Kg, 추의 왕복 속도 20회/분, 왕복 거리 150mm, 시료의 길이는 50cm로 하여 소선이 4본 이하 절손될 때까지 시행하였으며, 본 발명의 와이어 로프의 피로값은 종래의 것보다 50%이상 향상되었음을 알 수가 있다.

구 분	발 청 시 간
본 발명품(아연도금+그리이스방청)	140∼160시간
종래품(아연-알루미늄합금도금+그리이스방청)	140∼150시간

상기 내식성 시험은 수소이온농도가 6.5∼7.2이고 33∼37℃인 5%염수를 공급 압력 1.0∼1.2Kg/cm²으로 한 간접식 염수 분무시험이었으며, 시험 결과는 표4에서알수 있듯이 두 시험재는 거의 동일한 내식성을 보여 주고 있다.

끝으로, 심강의 형태 유지 능력을 조사하기 위하여 상기 두 종류 심강과 1 ×7 구조의 강심 및 종래 일반 합성섬유심의 4가지 심강의 시험재 1m를 선정하여 1 ×7 구조 심강 절단 하중의 20%에 해당하는 힘으로 인장 시험을 하였고, 이때 심강의 수축 정도를 조사한 결과가 표5이다.

구 분	1 ×7	1 ×19	본 발명품	종래 합성섬유심
심경 수축율	1	0.90∼0.93	0.95∼1.05	7∼10

표5에서 심경 수축률은 1 ×7 구조 심경의 수출률을 1로 한 상대 비교치이다. 즉, 표5에서 보듯이 종래 1 ×7 구조의 강성이 가장 높고, 유연성을 개선한 1 ×19 구조는 강성의 측면에서 1 ×7 구조보다 다소 떨어지고 있으나 본 발명의 합성섬유심은 그와 동등한 강성을 보여주고 있다.

따라서, 본 발명의 합성섬유심은 종래의 중심과 동등한 강성을 가지면서도 섬유 특유의 유연성을 보유하여 와이어 로프의 형태 유지 능력을 향상시키게 된다.

본 발명은 앞서 살펴본 바와 같이, 중심 스트랜드를 종래의 강심에 필적하는 내구성을 갖는 고성능 합성섬유심으로 대체함에 따라 중심 자체의 형태유지 능력과 유연성, 그리고 외층 스트랜드에 대한 윤활성 및 방청성과, 외층 스트랜드 자체의유연성 개선으로 피로성능이 우수하여 안정적인 기계 제어가 가능한 장점이 있다.

그리고, 소선의 아연 도금에 고가의 알루미늄을 첨가하지 않고도 동등한 내식성을 확보할 수 있기 때문에 제조원가를 낮출 수 있는 잇점도 있다.

Claims (3)

1. 스틸 스트랜드 코어의 외주면에 다수본의 외층 스틸 스트랜드들이 꼬여진 단층연 구조를 갖는 기계 제어용 스틸 와이어 로프에 있어서, 분자량 3,000,000 이상의 초고분자 폴리에틸렌 원사들이 꼬여져 이루어진 합성섬유 코어의 외주면에 외층 스틸 스트랜드 9본이 꼬여진 것을 특징으로 하는 기계 제어용 스틸 와이어 로프.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 외층 스틸 스트랜드는 하나의 중심 강 소선 외주면에 7본의 강 소선들이 꼬여진 1×7 구조인 것을 특징으로 하는 기계 제어용 스틸 와이어 로프.