KR20030054727A - 기기 작동 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스틸 케이블을 구성하는 중심 스트랜드의 직경에 대한 케이블의 직경비와, 각 스트랜드를 구성하는 소선들의 인장강도를 각각 일정한 범위내로 조절하므로써 케이블의 유연성과 피로 특성치를 향상시킨 기기 작동용 케이블에 관한 것이다.

본 발명의 케이블은 8×7 + 1×19 구조로서, 케이블을 구성하는 중심 스트랜드의 직경에 대한 케이블 직경의 비값을 2.00∼2.15로, 케이블의 각 스트랜드를 이루는 강 소선의 인장강도를 260~310kgf/mm²로 제어함에 그 기술적 특징이 있다.

본 발명의 기기 작동 케이블은 외층 스트랜드들 간의 치합작용이 최소화되는 동시에 케이블의 유연성이 개선되어 인장과 굽힘 변형 등이 반복되는 가혹한 사용 조건에서 우수한 내피로성을 보여주기 때문에 케이블 손상에 의한 기기들의 작동 불량과 정비에 소요되는 시간과 경제적 손실을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

기기 작동 케이블{The cable for operating machinery}

본 발명은 기기 작동용 케이블(cable)에 관한 것으로, 더 자세하게는 각종 기기 작동에 사용되는 스틸 케이블을 구성하는 중심 스트랜드의 직경에 대한 케이블의 직경비와, 각 스트랜드를 구성하는 소선들의 인장강도를 각각 일정한 범위내로 조절하므로써 케이블의 유연성과 피로 특성치를 향상시킨 기기 작동용 케이블에 관한 것이다.

일반적으로 각종 기계나 장비를 작동시키기 위하여 사용되는 기기 작동용 케이블은 보통 인장 하중이 부여되는 상태에서 시브(sheave)나 롤러와 접촉하면서 이동을 하는 굴곡 운동을 반복하게 됨에 따라, 내피로성과 절단력 및 내마모성 등의 물리적 특성에 의하여 그 수명이 좌우된다.

상기 기기 작동용 케이블은 강(鋼) 소선을 다발로 하여 묶은 평행연 케이블과 1중연 케이블 및 다중연 케이블로 대별되며, 이들 중에서 소형의 기계 장치 작동에 널리 사용되는 것은 다중연 케이블의 일종인 단층 '환 스트랜드 케이블'이다.

상기 단층 환 스트랜드 케이블은 하나의 중심 스트랜드 외주면에 다수개의 외층 스트랜드가 한층으로 꼬여지면서 감싸는 구조로서, 모든 스트랜드는 기본적으로 단면이 원형인 거의 비슷한 직경의 소선으로 구성되며, 심선은 보통 1본과 3본이 기본적인 것으로 이 둘중 1본의 심선을 사용한 스트랜드가 주로 쓰이며, 3본을 기본으로 한 스트랜드는 심선 3본 대신 마(麻)를 심선으로 사용한 것이 널리 사용된다.

특히, 소형 기계 등의 작동에 널리 쓰이는 케이블은 1본의 심선을 사용한 스트랜드로 구성되는 대표적인 케이블로서, 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.

도 1의 (가)와 (나)에 도시한 바와 같이, 대표적인 기기 작동용 소경 케이블의 구조로는 8×7 + 1×19 와 7×7 구조의 두 종류가 있으며, 첫 구조(11)에서, 8은 외층 스트랜드(11B)의 수를, 7은 각 외층 스트랜드를 구성하는 소선 수를, 1은 코어 스트랜드(11A)의 수를, 19는 코어 스트랜드를 구성하는 소선의 수를 뜻하고, 두번째 구조(12)에서 앞의 7은 스트랜드의 총 수를, 뒤의 7은 각 스트랜드를 구성하는 소선의 수를 뜻한다. 두번째 구조(12)에서는 외층 스트랜드(12B)와 코어 스트랜드(12A)의 구조가 동일하기 때문에 하나로 표시되는 것이다.

즉, 8×7 + 1×19 구조는, 하나의 심선 외주면에 6선의 내층 소선이 꼬여져 하연을 이루고, 하연의 외주면에 다시 12선의 외층 소선이 꼬여져 상연을 이루는 이층연 구조의 코어 스트랜드(11A) 외주면을, 하나의 심선 주위를 6선의 외측 소선이 꼬이는 일층연 구조의 외층 스트랜드(11B) 8본이 꼬이면서 감싸는 구조이며, 7×7 구조는 일층연 구조의 스트랜드 하나를 코어 스트랜드(12A)로 하여 그 외주면에 6본의 동일한 스트랜드가 꼬여져 외층 스트랜드(12B)를 이루는 구조이다.

그런데, 7×7 구조의 케이블은 비슷한 선경의 소선으로 스트랜드를 구성하고 동일 구조의 스트랜드로 케이블을 구성함으로써 내마모성이 양호하여 마모 조건이 가혹한 곳에서 유용하게 사용될 수 있으며, 구조가 간단하여 형태 파괴를 일으키기 어렵다는 장점이 있다.

그러나, 케이블의 작동 경로 상에 부착되어 회전하는 시브나 드럼과 같이 직경이 작은 소형의 회전체에 감겨 왕복 운동을 하면서 동력을 전달하는 경우에는 케이블의 유연성이 떨어지기 때문에 케이블이 시브나 드럼에서 이탈되기 쉽고, 부족한 유연성 때문에 피로 저항성이 낮아 단선 횟수가 증가하는 문제점이 있다.

따라서, 7×7 구조의 케이블이 갖는 낮은 내피로성능을 개선하기 위하여 개발되었으며 미국 특허공보 5,475,973에 개시된 상기 8×7 + 1×19 구조의 케이블은 외층 스트랜드를 구성하는 소선보다 선경이 작은 소선을 사용하여 코어 스트랜드를 단층연의 1 + 6 구조에서 이층연의 1 + 6+ 12 구조로 변경함으로써 7×7 구조의 케이블 보다 우수한 유연성과 피로 저항성을 갖게 되었다.

상기 종래의 기기 작동용 케이블에 외부 힘이 작용하는 미케니즘을 살펴보면 다음과 같다.

종래의 일반적인 기기 작동용 케이블은, 1×19 구조(11A) 또는 1×7 구조(12A)의 중심 스트랜드를 다수 개의 외층 스트랜드들(11B)(12B)이 그 외주면을 둘러싸면서 꼬인 구조로서, 이와 같은 구조의 기계 제어용 케이블에 축방향 하중이 부여되면 그 하중은 분해되어 도 2에 도시된 바와 같이 작용하게 된다.

즉, 외층 스트랜드에 가해지는 축방향 하중(21)은 외층 스트랜드의 길이 방향에 수직한 방향의 힘(22)과 스트랜드 길이 방향의 힘(23)으로 분해된다.

따라서, 스트랜드 길이 방향에 수직한 방향 즉, 스트랜드간 경계면에 수직한 힘(22)은 연각(撚角)(24)을 감소시키고 스트랜드간 경계면에서의 마찰력 크기에 관여하게 되며, 스트랜드 길이 방향으로 작용하는 힘(23)은 스프링이 늘어나는 경우처럼 스트랜드의 회전 곡률을 감소시키는 방향으로 작용하는데 이는 곧, 중심 스트랜드를 향한 압축력으로 작용함을 의미한다.

즉, 스트랜드 경계면에 수직한 힘(22)은 연각(24)을 감소시켜 스트랜드의 길이 방향을 케이블의 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 갖추어야만 하며, 이러한 내구성을 갖기 위해서는 케이블의 유연성이 우수하여야 한다.

상기 케이블의 유연성이란, 시브나 드럼 등을 거쳐 작동될 때 케이블에 부여되는 굴곡작용에 대한 케이블의 저항성을 말하는 것으로서 케이블의 굴곡 피로에 대한 능력을 뜻하며, 이러한 유연성은 케이블의 구조에 의해 영향을 크게 받는다.

즉, 케이블을 구성하는 스트랜드들의 수가 많을수록, 각 스트랜드를 구성하는 소선의 직경이 작을수록 케이블의 유연성은 좋아지며, 케이블이 일정한 곡률반경에서 굴곡 될 때 내부 스트랜드들 상호간 적정 간격이 유지되어야만 전체 케이블이 시브나 드럼 등에 의해 부여받게 되는 굴곡응력이 작게 된다.

그리고, 상기 시브 등에 의한 굴곡응력 외에, 케이블에 부여되는 인장하중에 의해 소선 상호간에도 굴곡 응력이 발생되기 때문에 케이블의 내피로성을 향상시키기 위해서는 케이블의 구조 개선 외에 상기 인장 및 굴곡변형에 대한 소선 자체의저항성도 커야 한다.

케이블에 부여된 하중은 상술한 바와 같이 스트랜드의 길이 방향과 이에 수직한 방향으로 분해되어 스트랜드들의 상호 계면 사이에 응력을 발생시키게 되고, 스트랜드들 상호 계면간에 작용하는 응력은 스트랜드들 간의 치합작용을 일으켜 케이블이 가지는 고유의 절단하중 보다 훨씬 낮은 하중에서 케이블이 절단되는 문제를 야기시키게 된다.

상기와 같은 스트랜드들간의 치합작용은 케이블 직경과 중심 스트랜드 직경 사이의 직경비와 직접적으로 관계가 있으며, 종래의 일반적인 제조 방법으로 만들어진 8×7 + 1×19 구조의 케이블 직경비는 다음 식 1과 같다.

,

상기 식에서, OD_c는 케이블의 직경,

OD_s는 중심 스트랜드의 직경.

즉, 중심 스트랜드 직경에 대한 케이블 직경의 비가 2.20 이상이 되는 8×7 + 1 ×19 구조의 종래 일반적인 기기 작동용 소경 케이블의 경우에는, 외부에서 부여된 하중에 의한 스트랜드들 상호간의 치합작용으로 케이블 수명이 일정 수준 이하로 제한되는 문제가 있었다.

또한, 상기 직경비 외에도 케이블을 구성하는 기본 요소인 소선의 인장강도는 통상 200~250kgf/mm²수준으로서, 상기 치합작용을 극복하며 케이블의 내피로성을 향상시키기에는 부족한 실정이다.

본 발명은 외부 하중이 부여된 케이블에서 발생하는 스트랜드들 상호간의 치합작용을 최소화하고, 소선 자체의 항장력을 높여 줌으로써, 외부 인장력과 시브 등에 의한 인장 및 굴곡응력에 대한 내피로성이 우수한 기기 작동용 케이블을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 기기 작동용 케이블을 보인 것으로,

(가)는 8×7 + 1×19 구조의 케이블 단면도이고,

(나)는 7×7 구조의 케이블 단면도이다.

도 2는 와이어 케이블에 부여된 인장 하중의 작용도.

(( 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ))

1. 8×7 + 1×19 구조의 케이블

2. 7×7 구조의 케이블 11A,12A. 중심 스트랜드

11B,12B. 외층 스트랜드 21. 케이블 축방향 하중

22. 스트랜드의 길이 방향에 수직한 방향의 힘

23. 스트랜드 길이 방향의 힘

본 발명의 상기 목적은 케이블 직경에 대한 중심 스트랜드의 직경을 증가시키고, 스트랜드를 구성하는 소선의 인장강도를 향상시킴으로써 달성된다.

본 발명의 기기 작동용 케이블은 스트랜드들 상호간의 치합작용을 최소화하기 위하여 다수의 외층 스트랜드 직경을 감소시키고, 그 감소분 만큼 중심 스트랜드의 직경을 증가시킴에 기술적 특징이 있다.

즉, 스트랜드들간의 치합작용은 대분분 중심 스트랜드의 외주면을 감싸는 다수 외층 스트랜드들에 의해 기인하고, 이 치합작용은 케이블에 부여되는 외부 인장의 크기에 비례하기 때문에 상기 치합작용을 저감시키기 위해서는 외층 스트랜드에 부여되는 외부 인장력의 절대 크기를 감소시킬 필요가 있다.

따라서, 케이블에 부여되는 외부 인장력에 대한 중심 스트랜드의 분담 비율을 높이기 위하여 중심 스트랜드의 직경을 증가시키되 그 증가분 만큼 외층 스트랜드의 직경을 감소시켜 외층 스트랜드의 유연성을 향상시키는 것이며, 본 발명 기기 작동용 케이블의 직경비는 다음 식 2와 같다.

상기와 같은 비율로 케이블 직경과 중심 스트랜드 직경을 제어하므로써 스트랜드들 상호간의 치합작용이 최소화되며, 케이블의 유연성이 향상된다.

상기의 직경비 외에, 종래 케이블에 비하여 소선의 인장강도를 증가시켜 케이블의 내구성을 증가시켰다.

일반적으로 동일 굴곡반경의 시브나 드럼 등으로부터 케이블이 받는 외부 인장응력이 커짐에 따라 케이블의 수명은 짧아지기 때문에 케이블의 각 스트랜드를 구성하는 소선의 인장강도를 높이게 되면 케이블의 내구성, 즉 내피로성도 증가된다.

따라서, 본 발명 케이블의 소선 인장강도를 신선시의 적절한 감면율과 열처리 방법을 통하여 종래 200~250kgf/mm²에서 260~310kgf/mm²으로 증가시켰다.

이때, 상기 소선의 인장강도가 310kgf/mm²을 초과하게 되면 소선의 취성이 증가하게 되어 케이블의 내구성이 상기 인장강도에 비례적으로 증가하지 않고 오히려 저하되는 경향을 보이게 된다.

상기와 같은 본 발명 기기 작동용 케이블의 품질 특성을 살펴보기 위하여, 중심 스트랜드 직경에 대한 케이블 직경의 비가 2.20 이상이 되는 8 ×7 + 1 ×19 구조의 종래 케이블과, 직경비 또는 소선의 인장강도 중의 하나를 본 발명 케이블과 동일하게 조절한 동일 구조의 개선 케이블과, 동일 구조의 본 발명 케이블에 대한 피로 특성을 다음과 실시하였다.

이때, 상기 시험대상 케이블들은 모두 아연도금 소선을 사용하였으며, 케이블의 직경은 1.5mm이었고, 특성시험에 적용된 피로시험기의 시험조건은 다음의 표 1과 같다.

시 험 속 도	중 량	휠 직경	그루브(groove) 반경
20 사이클/분	50 kg	40 mm	0.80 mm

상기의 조건으로 실시한 피로시험의 결과는 다음의 표 2와 같다.

구 분	ODc/ODs비율	인장강도(kgf/mm2)	피로치(회)
종 래케 이 블	1	2.21	242	81,900
	2	2.20	237	107,400
	3	2.23	249	98,500
	평 균	2.21	243	95,900
개 선케 이 블(가)	4	2.19	278	131,600
	5	2.20	262	146,200
	6	2.16	295	120,400
	평 균	2.18	278	132,700
개 선케 이 블(나)	7	2.08	245	125,900
	8	2.14	239	118,700
	9	2.06	221	132,900
	평 균	2.09	235	125,800
발 명케 이 블	10	2.12	281	198,200
	11	2.04	293	219,600
	12	2.09	279	172,500
	평 균	2.08	284	196,700

* 개선 케이블(가)는 소선의 인장강도를 본 발명 케이블 조건과

동일하게 제조한 것.

* 개선 케이블(나)는 직경비를 본 발명 케이블 조건과 동일하게

제조한 것.

상기 표 2의 피로시험 결과로부터 소선의 인장강도가 향상된 개선 케이블(가)는 종래의 케이블에 비하여 피로치가 평균 38% 정도 향상되었으며, 개선 케이블(나)는 종래 케이블에 비해 피로치가 평균 31% 정도 개선되었음을 확인 할 수 있었는 바, 직경비와 소선의 인장강도가 케이블의 내피로성을 향상시킬 수 있는 중요 인자임을 알 수가 있다.

또한, 직경비와 소선의 인장강도 모두가 개선된 본 발명의 케이블은 종래 케이블에 비하여 피로치가 105% 정도 상승됨을 알 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 기기 작동 케이블은 소선의 인장항력과 중심 스트랜드 직경에 대한 케이블의 직경비를 제어함으로써 외층 스트랜드들 간의 치합작용이 최소화되는 동시에 케이블의 유연성이 개선되어 인장과 굽힘 변형 등이 반복되는 가혹한 사용 조건에서 우수한 내피로성을 보여주는 바, 종래 기기 작동용 소경 케이블을 신속히 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 본 발명의 케이블을 사용하므로써 케이블 손상에 의한 기기들의 작동 불량과 정비에 소요되는 시간과 경제적 손실을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (2)

1. 각종 기기의 작동에 사용되는 8×7 + 1×19 구조의 케이블에 있어서, 케이블을 구성하는 중심 스트랜드의 직경에 대한 케이블 직경의 비값이 2.00∼2.15인 것임을 특징으로 하는 기기 작동 케이블.
2. 제 1항에 있어서, 상기 케이블의 각 스트랜드를 이루는 강 소선의 인장강도가 260~310kgf/mm²인 것임을 특징으로 하는 기기 작동 케이블.