광역論壇 엘리베이터에 숨어있는 과학(2)

[광역매일]

▲ 정경택 한국승강기대학교 교수    

 형식에 따라 약간씩 다를 수 있으나 엘리베이터 설비의 일반적인 기본 구성을 살펴보면 카가 오르내리는 승강로의 꼭대기에 위치한 기계실에 전동기, 브레이크, 도르래가 회전축으로 연결되어 있는 권상기라는 기계장치가 있는데 전동기의 회전에 따라 도르래가 회전하게 되어 있다. 이 도르래의 홈에 와이어로프라는 강한 쇠줄이 세 가닥 이상이 감겨있고 한 쪽에는 사람들이 타고 내리는 카(Car)가 있고 다른 한 쪽 끝에는 균형추(Counter weight)가 달려 있다. 이 카와 균형추는 로프에 매달려 있으므로 상하로 움직일 때 기본적으로 흔들림이 있을 수 있으므로 각각의 양 쪽에는 가이드레일이라는 T자형의 기둥이 서 있어 이를 방지하고 있다. 이 가이드레일의 역할은 가이드라는 ‘안내’의 역할 뿐만 아니라 특별한 경우에는 카를 ‘지지’해 주는 역할도 수행해야 하므로 그 설계에 공학적 지식이 들어있다. 첫째로는 무거운 중량물을 카에 싣고 내릴 때에 카 바닥이 앞쪽으로 기울어 질 수가 있으므로(회전모멘트라고 함) 이를 지탱할 수 있어야 하고, 둘째로는 지진 발생 시 수평으로 흔들리며 레일의 휘어짐이 한도를 넘거나 레일의 응력이 탄성한계를 넘으면 카 또는 균형추가 레일에 벗어날 수 가 있으므로 이에 대한 고려가 필요하고 셋째로는 ‘비상정지장치’가 작동했을 때 좌굴(기둥이 압축력에 의해 수직방향으로 휘어지는 것)하지 않도록 튼튼하게(?) 설계해야 한다.

엘리베이터를 타면서 한 번쯤 해봤을 생각은 “혹시나 내가 타고 있는 카가 추락하지는 않을 까?”이다. 카가 추락할 수 있는 경우는 와이어로프가 끊어지는 경우라고 주로 생각할 것이다. 이 와이어로프는 여러 가닥이 설치되고 안전율도 12이상으로 높게 설정되어 있어 모두가 동시에 끊어질 확률은 매우 낮다. 그러나 끊어질 수 있는 가능성은 매우 낮지만 있으므로 여러 안전장치를 설치하여 운용하고 있다. 안전율은 허용응력으로 인장강도를 나눈 값인데, 예를 들면 견딜 수 있는 값이 100인데 이론적으로 작용하는 값이 10이라면 안전율은 10이다. 예를 들면, 하루에 공부를 최대 10시간씩 할 수 있는데 1시간씩만 하면 그렇게 스트레스(응력)도 받지 않고 좀 편안하게 공부할 수 있는 것과 같다고 보면 되고 안전율이 높을수록 더욱 안전하다는 것이다.

앞에서 언급한 비상정지장치는 가이드레일을 꽉 물어 카의 추락을 방지하는 최후의 수단이다. 엘리베이터는 많은 여러 안전장치들이 설치되어 있어 상황에 따라 이를 방지하고자 작동하게 되어있다고 하였다. 권상기의 브레이크, 로프 브레이크, 비상정지장치 등을 기계적으로 카의 움직임을 제지하는 장치라고 할 수 있다. 비상정지장치는 카의 하부에 설치되어 카를 지탱하고 있는 하부체대에 양 쪽으로 설치되어 있고 카와 항상 같은 속도로 움직인다. 기계실에는 조속기(Governor)가 설치되어 있는데 이 조속기의 도르래에 감긴 조속기 로프가 비상정지장치와 연결되어 있어 카의 속도를 항시 감지하고 있다. 카가 정해진 속도(정격속도)로 움직일 때는 이 조속기의 도르래에 감긴 조속기 로프의 움직임을 제지하지 않다가 정격속도의 115%의 이상이 되면 이 조속기 로프의 움직임을 제한하여 비상정지장치가 가이드레일을 꽉 물어 카가 정지하게 한다. 그러므로 매우 빠른 속도로 움직이는 무거운 카를 정지시키기 위해 버틸 수 있도록 하는 가이드레일의 설계는 중요하다.

카의 움직임에 따른 조속기 로프의 운동이 조속기 도르래를 회전시키고 이 도르래의 회전에 의해 조속기 도르래에 설치되어 있는 진자의 원심력으로 변환된다. 그러므로 카의 속도가 빨라지면 조속기 로프의 운동속도도 빨라지고 이에 따라 조속기 도르래의 회전속도가 빨라져 진자의 원심력을 크게 한다. 원심력은 회전속도(각속도)의 제곱에 비례해서 커지므로 이를 이용하여 카의 속도를 감지하고 정해진 값에서 조속기 로프의 움직임을 제한하여 비상정지장치를 작동시키는 구조이다.

도르래와 와이어로프의 관계에서도 권상기에 고정도르래가 있는 1:1 로핑방식과 카에도 움직도르래를 설치하는 2:1 로핑방식등을 사용하는 경우도 있다. 2:1 로핑, 4:1 로핑은 대용량 저속화물용 엘리베이터에 사용된다. 이와 같이 중고등학교 과정에서 배우는 과학적 원리들이 엘리베이터에 많이 적용되고 있음을 알 수 있다.

                                  
기사입력: 2016/08/08 [14:33]  최종편집: ⓒ 광역매일
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