개념 한 쪽
승강기 설계 문제에서는 브레이크의 제동토크와 그에 대응하는 반력 산정, 각 부재의 안전율 규정, 스프링과 재료의 응력·변형률 계산이 자주 출제된다는 점을 염두에 둔다.
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출제기준 단원 「감속기어의 종류」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 브레이크 반력 산정 | 1 | 제동토크와 마찰계수·반지름·슈 개수로 한쪽 슈의 반력을 계산하는 절차를 묻는다 |
| 설계응력과 허용응력 관계 | 1 | 항복점, 허용응력, 설계응력의 크기 관계를 식별하는 기준을 묻는다 |
| 부품별 안전율 판정 | 1 | 승강기 부품별 안전율(권상용 로프 등) 중 옳지 않은 것을 가려내는 판단능력을 묻는다 |
제동토크는 브레이크 드럼에서 마찰력과 반지름의 곱으로 발생한다는 원리로 설명한다. 마찰력은 마찰계수와 슈가 받는 반력의 곱이며, 총 제동토크는 슈 개수, 마찰계수, 반력, 반지름의 곱으로 표현할 수 있다는 점을 이해한다. 따라서 한쪽 슈의 반력은 토크를 슈 개수와 마찰계수 및 반지름으로 나누어 산출한다는 점을 명확히 이해한다.
승강기 구성요소마다 요구되는 안전율이 정해져 있으며, 부재별로 다른 기준을 적용한다는 점을 기억한다. 예를 들어 권상용 로프의 안전율은 승객용 엘리베이터에서 보통 6 이상을 요구하고, 기계대의 재료에 따라 콘크리트는 강재보다 높은 안전율을 적용하여 보수적으로 설계한다는 점을 이해한다.
재료의 설계응력 관계는 항복점, 허용응력, 설계응력의 위계로 정리한다. 안전설계의 원칙상 항복점 ＞ 허용응력 ＞ 설계응력 순으로 크기가 되어야 설계응력으로 작동 시 항복을 피할 수 있다는 점을 원리로 설명한다.
스프링이나 축 등의 응력 계산은 각 요소별 전용 공식을 사용하여 단위에 주의해 계산한다는 점을 강조한다. 코일 스프링의 전단응력은 τ = K(8PD)/(πd³) 공식을 사용하며 응력수정계수, 하중, 코일 평균지름, 선재 지름을 정확히 단위 환산해 대입해야 올바른 값을 얻는다는 점을 주의한다.
변형률은 늘어난 길이를 원래 길이로 나눈 무차원 수치로 정의한다는 점을 기본으로 삼는다. 길이 단위를 일치시킨 뒤 나누기를 수행하면 변형률을 정확히 구할 수 있다는 원리를 숙지한다.
브레이크 반력 계산 예시: 총 제동토크 T=180 N·m, 드럼 지름 260mm이므로 반지름 r=0.13m, 마찰계수 μ=0.35, 슈 개수 2일 때 한쪽 슈의 반력 N은 식 T = 2·μ·N·r에서 N = T/(2μr)를 계산하여 N ≈ 1978 N이 나온다는 절차를 보인다.
코일 스프링 전단응력 계산 예시: 코일 스프링에 P=18000 N, D=0.122 m, d=0.026 m, 응력수정계수 K=1.33을 적용하여 τ = K(8PD)/(πd³)에 대입하면 약 423 MPa 수준의 전단응력이 산출된다는 계산 흐름을 제시한다.
적재하중 1000kg, 카자중 1200kg 이고, 단면계수가 Z =225cm² 인 SS-400을 1본 사용한 (1:1로핑) 상부체대의 응력은 몇 kg/cm² 인가? (단, 상부체대의 길이는 180cm 이다.)
정답 ④ · 1:1 로핑 방식의 상부체대에 작용하는 총하중은 적재하중(1000kg)과 카 자중(1200kg)의 합인 2200kg입니다. 체대 양끝이 지지되는 보의 최대 굽힘모멘트는 M = W*L/8 로 산출하며 (2200kg*180cm)/8 = 49500 kg·cm가 됩니다.
상부체대 응력은 총하중과 장력에 의한 인장응력을 합산하여 계산한다.
엘리베이터 재료의 설계응력을 설계할 때, 설계응력, 항복점, 허용응력의 일반적인 관계로 적합한 것은?
정답 ③ · 기계 구조물의 재료 설계 시 가장 기본이 되는 안전 원칙은 외부에서 가해지는 설계응력이 재료가 항복하여 영구 변형을 일으키는 항복점보다 반드시 낮아야 한다는 것입니다. 또한, 안전률을 고려하여 현실적으로 허용되는 최대 응력인 허용응력을 항복점 이하로 설정하며, 실제 발생하는 설계응력은 이 허용응력보다 더 작아야 안전합니다.
안전설계 원칙에 따라 설계응력은 허용응력보다 작아야 하므로 항복점>허용응력>설계응력이다.
승강기의 안전율에 대한 기준으로 옳지 않은 것은?
정답 ④ · 문제는 승강기 안전율에 관한 여러 진술 중 틀린 것을 찾는 항목으로 오류 접수가 있는 문제이다. 제시된 보기에 따르면 권상용 로프의 안전율을 4 이상으로 표기한 것은 실규정과 맞지 않으며 실제로 권상로프의 안전율은 일반적으로 6 이상으로 규정되어 있어 해당 진술이 잘못되었다.
승객용 엘리베이터 권상용 로프 안전율은 6 이상이어야 하나, 기준상 4.5 이상 또는 6 이상으로 규정되므로 4번은 기준치 오류다.
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