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KR100697742B1 - 엘리베이터용 인장 부재 - Google Patents

엘리베이터용 인장 부재 Download PDF

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KR100697742B1
KR100697742B1 KR1020027001732A KR20027001732A KR100697742B1 KR 100697742 B1 KR100697742 B1 KR 100697742B1 KR 1020027001732 A KR1020027001732 A KR 1020027001732A KR 20027001732 A KR20027001732 A KR 20027001732A KR 100697742 B1 KR100697742 B1 KR 100697742B1
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cords
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톰슨마크에스.
바렌다페드로에스.
자몬데이비드씨.
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오티스 엘리베이터 컴파니
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Abstract

엘리베이터 또는 다른 대인 수송 시스템(12)을 위한 하이브리드 재료 인장 부재(22)는 하중 운반 부품으로서 유기 섬유(30) 및 강 재료(28)를 개별적으로 또는 조합한 형태를 사용한다. 몇 개의 실시예들을 개시한다.
엘리베이터, 대인 수송 시스템, 하이브리드 재료 인장 부재, 하중 운반 부품, 유기 섬유, 강 재료

Description

엘리베이터용 인장 부재 {Tension Member For An Elevator}
본 발명은 엘리베이터 시스템에 관한 것으로서, 특히 이러한 엘리베이터 시스템용 인장 부재에 관한 것이다.
종래의 견인 엘리베이터 시스템은 탑승칸, 평형추(counterweight), 탑승칸과 평형추를 상호 연결하는 두 개 이상의 로프, 로프를 이동시키기 위한 견인 도르래, 그리고 견인 도르래를 회전시키는 장치를 포함한다. 로프는 가로 눕히거나 꼬인 강 와이어로 형성되고, 도르래는 주철로 형성된다. 상기 장치에는, 기어가 있을 수도 있고 없을 수도 있다. 장치가 기어를 구비한 경우, 고속 모터를 이용할 수 있게 되고, 장치가 소형화되며 저가인 반면, 부가적인 유지 보수 및 공간을 요하게 된다.
종래의 둥근형 강 로프 및 주철로 된 도르래가 매우 신뢰성 있고 경제적이기는 하지만, 그 사용에는 한계가 있다. 그 한계 중 하나가 로프와 도르래 사이의 견인력이다. 이러한 견인력은 로프의 랩 앵글(wrap angle)을 증가시키거나 도르래 홈의 하부를 절삭함으로써, 증대될 수도 있다. 그러나, 착용물(wear)(랩 앵글)이 증가하거나 로프 압력(하부 절삭)이 증가한 결과, 양 기술 모두 로프의 내구력을 감소시킨다. 견인력을 증대시키는 다른 방법은 합성 재료로 된 라이너를 도르래 홈에 사용하는 것이다. 라이너는 로프와 도르래 사이의 마찰 계수를 증가시키는 동시에 로프 및 도르래의 마모를 최소화한다.
둥근형 강 로프를 사용하는 경우의 다른 한계는 가요성 및 둥근형 강 와이어 로프의 피로 특성이다. 엘리베이터 안전 규약은 현재, 각각의 강 로프가 최소 직경 d(CEN에 의하면 dmin=8mm, ANSI에 의하면 dmin=9.5mm(3/8"))를 구비할 것을 요구하고, 도르래의 직경을 D라 할 때, 견인 엘리베이터의 D/d 비율이 40이상(D/d≥40)일 것을 요구하고 있다. 결과적으로 도르래의 직경 D는 적어도 320mm(ANSI에 의하면, 380mm)가 된다. 도르래의 직경 D가 커질수록, 엘리베이터 시스템을 구동시키기 위해 상기 장치에 요구되는 토크가 커지게 된다.
종래의 둥근형 로프의 다른 결점은, 로프 압력이 높아질수록 로프의 수명이 단축된다는 점이다. 로프 압력(Prope)은 로프가 도르래 위를 움직이면서 발생되는데, 로프의 장력(F)에 정비례하고 도르래 직경 D 및 로프 직경 d(Prope
Figure 112002004144188-pct00001
F/Dd)에 반비례한다. 또한, 도르래 홈의 하부를 절삭하는 것과 같은 그러한 견인력 증대 기술을 포함하여, 도르래 홈의 형상도 로프가 받는 최대 로프 압력을 증가시킨다.
상기 기술에도 불구하고, 과학자들 및 공학자들은 출원인의 양수인의 지시하에 엘리베이터 시스템을 구동시키기 위한, 보다 효율적이고 내구성 있는 방법 및 장치 개발에 노력하고 있다.
본 발명에 따르면, 엘리베이터용 인장 부재는 1보다 큰 종횡비(aspect ratio)를 가지는데, 이 종횡비는 인장 부재의 두께 t에 대한 폭 w의 비로 정의된다(종횡비=w/t).
본 발명의 주요 특징은 인장 부재가 평탄하다는 점이다. 종횡비가 증가하면 결과적으로 폭으로 정의되는 인장 부재의 교접면이 로프 압력을 분산시키기 위해 최적화된다. 따라서, 인장 부재 내에서 최대 압력이 최소화된다. 또한, 종횡비가 1인 둥근형 로프와 비교해 볼 때, 종횡비를 증가시키면 인장 부재의 단면적을 일정하게 유지하면서 그 두께를 감소시킬 수도 있다.
또한 본 발명에 따르면, 인장 부재는 공통의 코팅층 내에 넣어진 복수의 개별적인 하중 운반 코드, 스트랜드 및/또는 와이어들을 포함한다. 이 코팅층은 각각의 코드, 스트랜드 및/또는 와이어를 분리시키고, 견인 도르래와 교접하는 교접면을 한정한다.
인장 부재를 이와 같이 구성하면, 로프 압력은 인장 부재 전체에 보다 균일하게 분산될 수 있다. 그 결과, 동등한 하중 운반 능력을 가진 종래의 로프 엘리베이터와 비교해 볼 때, 최대 로프 압력이 현저히 감소된다. 또한, 동등한 하중 지지 능력에 대하여 효과적인 로프 직경 'd'(휨 방향으로 측정됨)도 감소된다. 따라서, D/d 비율의 감소 없이 도르래 직경 'D'를 더 작은 수치로 할 수도 있다. 또한, 도르래의 직경 D를 최소화함으로써, 기어 박스가 불필요한 구동 장치로서 보다 저렴하고 소형화된 고속 모터를 이용할 수 있게 된다.
본 발명의 인장 부재 내의 코드, 스트랜드 및/또는 와이어는 강 및 유기 섬유가 다양하게 조합되는 것이 양호하다. 이 두 개의 재료는 분리되어 유지될 수도 있고, 공통의 코팅물 내에 개별적인 강 코드 및 유기 섬유 코드를 포함할 수도 있다. 두 재료는 단일 코드로 조합될 수도 있고, 복수의 코드는 공통의 코팅물 내에 분산된다. 재료는 공통의 코팅물 내에서 정연한 배열로 겹겹이 둘러싸일 수도 있고, 유기 섬유들은 공통의 코팅물 내에 분산되어 있는 강 코드와 함께 그 코팅물 내에 임의로 분산될 수도 있다.
상기 각 조합은, 강 코드로 된 평탄한 인장 부재 또는 유기 섬유로 된 평탄한 인장 부재에서는 볼 수 없는 강도 및 잇점들을 구비한 가요성 있는 평탄한 하이브리드 인장 부재를 제공한다. 각 재료의 잇점을 보면, 강은 비파괴 검사 능력, 높은 내열성, 낮은 신장성(stretch)을 구비하고, 유기 섬유는 저중량이고, 높은 강도 및 내식성을 구비한다. 강 및 유기 섬유 모두를 효과적으로 사용하여 그 둘 사이에 하중을 분담시키는 인장 부재를 제조하면, 그 인장 부재는 현저히 향상된 특성을 구비하게 된다. 본 발명은 두 재료에 하중을 분담시키는 몇 개의 실시예들을 제공하는데, 이로써 각 재료의 하중 운반 능력을 고려할 필요가 있게 된다. 각 재료의 장기간의 휨 피로 상태에 대한 저항성, 각 재료의 신장성 및 벨트의 트래킹 안정성은 이러한 상승적인 이득을 달성한다.
본 발명의 전술한 그리고 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부 도면에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에 대한 후속의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이제 도면을 참조하면, 수 개의 도면에서 유사한 요소는 유사한 도면 부호로 표시된다.
도1은 인장 부재가 내부에서 기능하는 견인 구동부를 갖는 엘리베이터 시스템의 사시도이다.
도2는 본 발명의 가요성 있는 평탄한 하이브리드 인장 부재의 제1 실시예의 개략적 단면도이다.
도3은 본 발명의 가요성 있는 평탄한 하이브리드 인장 부재의 제2 실시예의 개략적 단면도이다.
도4는 본 발명의 가요성 있는 평탄한 하이브리드 인장 부재의 제3 실시예의 개략적 단면도이다.
도5는 본 발명의 가요성 있는 평탄한 하이브리드 인장 부재의 제4 실시예의 개략적 단면도이다.
도6은 본 발명의 인장 부재의 탄성 계수를 나타내는 그래프이다.
도7은 본 발명의 인장 부재의 강도를 나타내는 그래프이다.
견인 엘리베이터 시스템(12)이 도1에 도시되어 있다. 엘리베이터 시스템(12)은 탑승칸(14), 평형추(16), 견인 구동부(18) 및 기계(20)를 포함한다. 견인 구동부(18)는 탑승칸(14)과 평형추(16)를 상호 연결하는 인장 부재(22) 및 견인 도르래(24)를 포함한다. 인장 부재(22)는, 도르래(24)의 회전이 인장 부재(22)를 움직여서 탑승칸(14) 및 평형추(16)를 이동시키도록 도르래와 맞물려 있다. 기계(20)는 도르래(24)를 회전시키도록 도르래(24)와 맞물려 있다. 기어식 기계(20)로 도시되어 있지만, 이러한 구성은 단지 예시를 위한 것으로서, 본 발명에는 기어 식 또는 무기어식 기계가 사용될 수 있다는 사실을 주목해야 한다.
본 발명은 단일 재료로 된 가요성 있는 평탄한 인장 부재에 비해서 우수한 성질을 가진 하이브리드 재료로 된 가요성 있는 평탄한 인장 부재를 제공한다. 하중 운반 재료의 가능한 모든 조합이, 제조되는 인장 부재에 상승적 결과를 제공하는 것은 아니다. 오히려, 각 하중 운반 재료에 걸리는 하중의 균형을 맞추고, 인장 부재의 우수한 트래킹(tracking) 안정성 뿐만 아니라 우수한 특성을 획득하기 위해서는, 구조적인 하중 운반 능력에 대한 세심한 분석이 요구된다.
도2를 참조하면, 본 발명의 가요성 있는 평탄한 하이브리드 인장 부재의 제1 실시예의 단면이 개략적으로 도시되어 있다. 인장 부재(22)는 통상적인 우레탄 또는 다른 중합체 재킷(26;jacket)을 포함한다. 강 하중 운반 재료는 도면 부호 28로 표시된 영역에 위치하는 한편, 유기 하중 운반 재료는 도면 부호 30으로 식별된다. 당해 기술 분야의 숙련자는, 하중 운반 재료가 인장 부재(22)의 폭에 걸쳐 비교적 균등하게 이격된다는 것을 이해할 것이다. 좌우로 트래킹 균형을 잡기 위해서는, 두 개의 나란히 된 강 코드(28)를 인장 부재(22)의 중심 위치에 제공하는 것이 양호하다. 도르래 상의 인장 부재의 안정된 트래킹을 보장하기 위해서는, 인장 부재의 종방향 중심선을 기준으로 양측이 대칭을 이루는 것이 중요하다.
유기 섬유(30)는 강 코드(28)보다 더 큰 단면적을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 그럴 필요는 없다. 오히려 어느 정도의 중량 등급이 요구되는지 그리고 어느 정도의 내열성이 요구되는지가, 이와 유사한 파라미터와 함께 문제시된다. 사용될 유기 섬유의 양 및 강 코드의 양을 결정하기 위해, 이를 수행할 당해 기술 분야의 숙련자의 기술 수준 내에서 수학적 계산이 실행된다. 이러한 계산은 평탄한 인장 부재 내의 여러 코드들 사이로 하중이 분담되어서 각각의 장점 및 특성들이 이용되는 것을 보장하는데 채용된다. 또한, 인장 부재의 축방향 강성(stiffness)은 어떤 주어진 하중에서, 인장 부재가 탄성 반응하여 두 형태의 코드가 하중을 분담할 정도로 되는 것이 중요하다. 이러한 두가지 종류의 코드의 꼬임 및 구조는 이러한 하중 분담이 가능하도록 선택될 수 있다. 이 코드들은 이러한 결과가 가능하도록 크기, 개수 또는 (트래킹용 이외의)분산에 있어서의 제한을 받지 않고, 동일한 개수의 유기 섬유 코드 및 강 코드가 사용될 것이 요구되지도 않는다. 중요한 것은 두가지 종류의 코드 특성이, 원하는 인장 부재의 특성과 균형을 이루어, 그러한 원하는 특성이 달성될 수 있도록 하는 것이다. 각각의 원하는 결과를 위해, 코드들을 배치하고, 크기 등을 정하는 하나 이상의 방식이 동원될 수 있다. 인장 부재의 트래킹을 용이하게 하기 위해서는 분산이 중요하고, 적절한 트래킹을 위해 보다 쉽게 달성되는 분산 방법 중의 하나가 인장 부재의 축방향 중심선에 대하여 코드를 균등하게 분산시키는 것이다.
제어하는데 양호한 하나의 파라미터는 휨(bending)이다. 인장 부재가 무결(integrity)한지 결정하기 위해 비파괴 검사가 이용될 수 있도록, 휘었을 때, 강 코드가 유기 코드보다 먼저 파괴되는 것이 양호하다. 이러한 방법은 전기적 저항성 또는 자기속 누출을 포함한다.
도3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예를 도시하는데, 인장 부재(22)의 각각의 코드는 그 자체로 복합적이다. 강으로 된 코아(34) 주위에 유기 섬유 재료가 환형(32)부로 위치되는 인장 부재의 단면이 도시되어 있다. 이 인장 부재는 재료 종류가 일방향으로만 도시되어 있으나, 강이 환형부에 이용되고 유기 섬유 재료가 코아를 구성할 수도 있음을 이해해야 한다. 또한, 실시예에 사용되는 모든 코드들이 동일한 코아 재료를 이용할 필요는 없다는 것도 알 수 있을 것이다. 하나 이상의 코드가 강을 코아(34)로 채용할 수 있는 한편, 하나 이상의 다른 코드는 유기 섬유를 코아(34)로 채용할 수도 있다. 환형부 수준 및 코아 수준에서의 각 코드의 꼬임 및 구조는 전체적인 인장 부재의 특성에 영향을 미칠 것이므로, 이를 고려하여야 한다. 당해 기술 분야의 숙련자는 전체적인 인장 부재의 원하는 특성을 얻기 위한 다양한 가능한 꼬임 및 구조를 계산하는 방법을 알고 있다. 각 코드 안으로 탄성중합체(elastomer)의 침투가 요구되는 정도는 또한, 이용되는 코드의 위치 및 크기와 관련하여 고려되어야만 한다. 코드에 대하여 선정된 위치에서 코드와 코드 사이의 접촉이 있는 경우에는, 프렛팅(fretting)이 고려되어야만 한다. 이러한 실시예로서 양호한 구조로는, 인장 부재의 축방향 중심선에 대하여 동일한 수의 "s" 및 "z"코드 구조가 채용된다.
도4는 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 도면은 각각의 코드의 구성을 도시하기 위한, 단지 두 개의 코드(38)의 확대도이다. 본 실시예에서, 각각의 코드(38)는 몇 개의 스트랜드, 예를 들어 아홉 개(중앙의 하나와 이를 둘러 싼 여덟 개)로 이루어지고, 각 스트랜드는 그 자체로 복합적이다. 도면의 스트랜드(40)는 중심 유기 와이어(42)와, 그 주위에 위치설정되는 여덟 개의 강 와이어(44)를 구비한 것으로 도시되어 있다. 이러한 여섯 개의 스트랜드는 중앙 스트랜드(46) 주위에 위치하여 하이브리드 코드(38)를 형성하게 된다. 강 와이어(44) 및 유기 섬유(42)의 위치는 뒤바뀔 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 이 실시예에 대해서도 전술한 실시예와 같이, 당업자의 기술 수준 내에서 유사한 계산이 이루어져야만 한다. 하이브리드 코드는 또한 코드의 특별한 구성이 특정 목적에 따라 변할 수도 있다는 점에서, 유익하다. 예를 들어, 트래킹을 개량시키기 위해 인장 부재가 사용되는 특별한 엘리베이터 시스템에 있어서, 크라운드(crowned) 도르래(도시되지 않음)가 이용될 경우에, 크라운 바로 위 또는 그 가까이에 올려 진 코드는 인장 부재 내의 다른 코드보다 더 많은 하중을 받을 것이다. 하이브리드 코드는 더 많은 하중을 감당하도록 맞추어 질 수 있다.
도5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도5는 단 두 개의 코드를 도시한 확대도이다. 본 실시예가 보다 많은 코드를 포함할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이 실시예에서, 양호하게는 각각 한 개 주위에 여섯 개의 패턴으로 된 일곱 개의 와이어를 구비한 강 코드(50) 자체가 제공되는데, 이들이 곧바로 하이브리드 코드는 아니다. 오히려, 인장 부재(22)는 코드를 둘러싼 공통의 코팅 재료(28) 내에 개별 유기 섬유(52)를 포함하기 때문에 복합적인 것이다. 섬유(52)는 양호하게는 인장 부재 주축에 평행하게 배향되고 재료 전체에 걸쳐 분포된다. 이 실시예의 강 코드(50)의 강성은 강 와이어의 강성에 의해 제어되는 반면, 유기 섬유는 그 자체의 강성을 제공한다. 이 실시예의 재료(28)는 전술한 실시예들의 경우에서와 같이, 폴리우레탄으로 이루어진다.
이상 설명한 모든 실시예에 있어서, 인장 부재의 탄성 계수는 함유된 강의 용적 퍼센트를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 당해 기술 분야의 숙련자가 인지하는 바와 같이, 계수 계산은 "혼합물 규칙(rule of mixtures)"에 기초하고 있다.
E11 = Uf1E11f1 + Vf2E11f2 + VmEm
여기서,
E11 = 종방향 FFR 계수
E11f1 = 섬유1의 종방향 계수
E11f2 = 섬유2의 종방향 계수
Em = 매트릭스 계수
Vf1 = 섬유1의 용적 퍼센트
Vf2 = 섬유2의 용적 퍼센트
Vm = 매트릭스3의 용적 퍼센트
탄성 계수의 변화는 도6에 그래프로 도시되어 있다.
본 발명의 예시적인 인장 부재의 인장 강도의 계산이, 예컨대 양호한 실시예에서는 폴리우레탄으로 되는 인장 부재의 공통된 코팅 내의 강/유기 섬유(예를 들어, 케블라) 함량의 함수로 도7에 그래프로 도시되어 있는데, 공통된 코팅 재료에 대한 강/케블라의 용적 퍼센트가 60v/o(용적 퍼센트)로 유지되는 반면, 서로에 대한 강 및 케블라의 퍼센트는 변하게 된다.
그래프의 정확한 변곡점은 강이 24%가 되고 케블라(29)가 16%가 되는 지점이 다.(이 수치는 케블라(49)에 대해서는 변한다) 24/16지점의 우측으로 가면, 강도 곡선에서 케블라가 우세해지고, 좌측으로 가면, 강도 곡선에서 강이 우세해진다. 강은 2.0%의 스트레인에서 파손되는 반면, 케블라는 3.6%의 스트레인에서 파손된다. 강이 우세한 곳에서는, 스트레인으로 인해 강이 파손되면, 케블라 또한 과부하가 걸려 파손된다. 그러나 케블라가 우세한 곳에서는, 2.0%의 스트레인에서의 강의 파손이 3.6%의 스트레인까지 보유되는 케블라의 파손에 영향을 미치지 않는다.
24/16의 변곡점에서는, 케블라 재료이 저하, 파손되거나 파괴된 후에도, 인장 부재를 이용하는 엘리베이터 시스템이 기능하도록 강은 인장 부재 내에서 충분한 강도를 보유하게 된다. 코팅 재료에 대한 다른 용적 퍼센트의 코드 재료에 대하여 이러한 결과를 달성하기 위해서는, 다음식이 요구된다.
Vs ≥(
Figure 112002004144188-pct00002
k/
Figure 112002004144188-pct00003
s)Vk
여기서,
Vs = 강의 용적 퍼센트
Vk = 케블라의 용적 퍼센트
Figure 112002004144188-pct00004
s = 강의 인장 강도
Figure 112002004144188-pct00005
k = 케블라의 인장 강도
양호한 실시예들이 도시 및 설명되었지만, 본 발명의 요지 및 범주를 벗어나 지 않는다면, 다양한 변형 및 대체가 이루어질 수도 있다. 따라서, 본 발명이 제한이 아닌 예시적 방식으로 설명되어 있음을 이해해야 한다.

Claims (8)

  1. 엘리베이터 시스템의 탑승칸에 수송력을 제공하기 위한 인장 부재이며,
    복수의 강 및 유기 섬유 하중 운반 부재와,
    상기 복수의 하중 운반 부재의 실질적인 외형을 형성하고 인장 부재의 두께에 대한 단면의 폭으로 정의되는 1보다 큰 종횡비를 가진 코팅부를 포함하는 인장 부재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 하중 운반 부재는 복수의 개별 강 하중 운반 부재와, 복수의 개별 유기 섬유 하중 운반 부재를 포함하는 인장 부재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 하중 운반 부재는 내부에 강 및 유기 섬유 재료 양자 모두를 갖는 개별 하이브리드 코드를 포함하는 인장 부재.
  4. 제3항에 있어서, 상기 코드는 강으로 된 코아와, 유기 섬유로 된 환형부를 포함하는 인장 부재.
  5. 제3항에 있어서, 상기 코드는 유기 섬유로 된 코아와, 강으로 된 환형부를 포함하는 인장 부재.
  6. 제3항에 있어서, 상기 코드는 강 및 유기 섬유로 된 하이브리드 와이어로 이루어진 복수의 스트랜드를 포함하는 인장 부재.
  7. 제3항에 있어서, 상기 강 하중 운반 부재는 복수의 개별 코드의 형태로 되어 있고 상기 유기 섬유 하중 운반 부재는 상기 코팅부 내에 분산되어 있는 인장 부재.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유기 섬유 하중 운반 부재는 인장 부재의 종방향 축과 평행하게 배향되어 있는 인장 부재.
KR1020027001732A 1999-08-26 2000-08-21 엘리베이터용 인장 부재 Expired - Fee Related KR100697742B1 (ko)

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