HOME > Browse Articles > Current Issue

Current Issue

Journal of the Korean Society for Precision Engineering - Vol. 37 , No. 7

[ REGULAR ]
Journal of the Korean Society for Precision Engineering - Vol. 37, No. 7, pp.485-491
Abbreviation: J. Korean Soc. Precis. Eng.
ISSN: 1225-9071 (Print) 2287-8769 (Online)
Print publication date 01 Jul 2020
Received 05 Jun 2019 Revised 20 Jan 2020 Accepted 14 Apr 2020
DOI: https://doi.org/10.7736/JKSPE.019.075

절삭 제동을 통한 추락 방지용 고속 안전 브레이크 설계
나세용1 ; 조두현1 ; 김권희2, #
1고려대학교 대학원 기계공학과
2고려대학교 기계공학부

Design of Quick Response Safety Mechanism Against Free Fall with Cutting Resistance Braking
Se Young Na1 ; Doo Hyun Cho1 ; Kwon Hee Kim2, #
1Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Korea University
2School of Mechanical Engineering, Korea University
Correspondence to : #E-mail: kwonhkim@korea.ac.kr, TEL: +82-2-3290-3753


Copyright © The Korean Society for Precision Engineering
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

Free fall safety brakes against accidental cable failure such as in elevators may require friction, wedging action, eddy current, and other effects. An ideal safety brake system should be quick in its deployment with sufficient payload capacity in compact dimensions. In this study, a safety braking system with a quick deployment mechanism is proposed. The mechanism housed in a carrier is suspended by the cable and connected to the payload. At the onset of cable failure, a linkage system is driven by a pre-loaded spring to drive terminal cutting tools tips against the sacrificial braking pads on each side of the vertical track. Experiments showed that large braking force may be achieved by a compact mechanism. Several design issues of linkage deployment, braking force control, and drop dynamics are discussed.


Keywords: Safety brake, Free fall, Cutting resistance braking, Quick response, Elevator
키워드: 안전 브레이크, 자유 낙하, 절삭 제동, 신속 대처, 승강기

1. 서론

승강기는 대형구조물이나 고층 건물에서 필수 불가결한 요소이다.1 한국의 경우 2018년 기준으로 약 683,000대의 승강기가 이용되고 있다. 2007년부터 2018년까지 승강기 사고 건수는 매년 평균 80여건 정도로 꾸준히 발생하고 있다.2

특히, 로프식 엘리베이터에서는 로프의 파단, 로프와 쉬브 간 마찰력 저하로 인한 미끄럼짐 등 기계적 문제로 인하여 추락이 발생할 우려가 있다.3 이러한 이유로 추락 시 추락 속도를 최소화하여 치명적인 인명피해를 예방하기 위한 안전 브레이크가 마련되어있다.

대부분의 승강기에서는 사람이나 화물이 탑재된 카(Car)가 건물 구조에 고정된 가이드 레일(Car Guide Rail)를 따라 상하로 구동된다. 카의 속도가 일정 수준 이상으로 증가하면 카에 설치된 쐐기나 마찰 패드가 예압된 스프링이나 유압 장치를 통하여 가이드 레일에 압착하여 비상 제동이 이루어진다.4

이러한 방식의 비상 제동 기구는 카의 속도가 일정 한계에 도달해야 작동하므로 한계 속도에 도달한 카의 운동에너지를 마찰저항으로 흡수하여야 한다.

반면에, 카의 속도와 무관하게 로프 장력의 감소를 감지하여 제동을 시작하면 제동 기구가 흡수해야 운동에너지가 작아지므로 비상 제동 기구의 구조 효율을 높이는 것이 가능할 것이다. 즉, 기존의 제동 기구에 비하여 더 작고 단순한 구조를 갖는 설계가 가능할 것이다.5

보통의 브레이크 패드는 0.2-0.6 정도의 낮은 마찰계수를 가지고 있기 때문에 높은 제동력을 얻기 위해서는 큰 가압력이 필요하게 된다. 마찰계수가 높거나 필요에 따라 변동이 가능하다면 필요로 하는 가압력이 작아지므로 경제적인 구조의 제동 기구를 설계할 수 있을 것이다.6,7

본 연구에서는 추락 시 로프의 장력의 감소를 감지하여 즉각 대응이 가능하며, 제동 시 적은 가압력으로 충분한 제동력을 얻을 수 있는 새로운 제동장치를 도출하고자 한다.


2. 절삭저항력을 이용한 제동장치 설계
2.1 마찰을 이용한 제동장치의 문제점

기존의 제동장치는 카의 속도가 정해진 한계치에 도달해야 비상 정지 장치를 작동시키므로 흡수해야 하는 운동에너지가 일정 수준 이상으로 커지는 문제점이 있다. 로프의 파단이나 미끄러짐 등에 기인한 장력 저하에 즉각적으로 대응하지 못한다는 한계가 있다.

브레이크 패드의 0.2-0.6 범위의 마찰계수를 가지기 때문에 높은 저항력을 갖기 위해서는 큰 제어력이 필요하게 된다. 이를 위해 구조의 강도 및 강성이 커야하므로 제조 비용이 상승하게 된다.

2.2 문제 해결을 위한 TRIZ 적용

안전 브레이크는 낙하 시 초래되는 사고를 방지하기 위한 신속하고 충분한 제동력을 확보해야지만 이를 위해서 구조가 복잡하고 커지게 된다는 기술적 모순을 가지고 있다.

이러한 상황을 Table 1에 보인 것처럼 개선변수 ‘장력 또는 압력(변수11)’에 대한 상반변수 ‘움직이는 물체의 부피(변수 7)’, ‘물체에 작용하는 유해요소(변수 30)’, ‘작업의 용이성(변수 32)’ 및 ‘장치의 복잡성(변수 36)’의 관계로 정리하였다. 이에 따른 해결원리(Inventive Principle)를 갖는 것들을 Table 1에 수록하였다.8-10

Table 1 
Contradiction analysis for design
Inventive principles Outline
Prior action (10) Carry out all or part of the required action in advance
Convert harmful to useful (22) Utilize harmful factors or environmental effects to obtain a positive effect
Parameter change (35) Change an object’s aggregate state, density distribution, degree of flexibility, temperature

2.3 절삭 제동 기구의 설계

사전 조치의 “가장 편리한 위치에서 바로 작동할 수 있도록 사물을 미리 배치한다.”의 원리를 적용하여, 로프와 캐빈 사이에 예압된 스프링을 설치하여 장력이 감소하는 즉시 스프링이 제동 기구를 작동시키는 설계 개념을 도출하였다.

전화위복의 “해로운 요소를 이용하여 바람직한 효과를 얻는다.” 원리를 적용하여, 기존 브레이크 패드와 마찰면의 마모를 의도적이며 유용한 절삭으로 전환하여 절삭 제동이라는 개념을 도출하였다.

속성 변화를 통하여 기존 브레이크 패드 및 마찰면 간의 제한된 마찰계수를 탈피하는 방안을 생각할 수 있다. 패드를 절삭 공구로, 마찰면을 절삭면으로 교체하면 절삭 제동 기구의 설계 개념을 도출할 수 있다.

승강기의 카 자체의 무게로 인한 로프의 장력을 이용하여 스프링을 상시 예압시킨 후, 로프 장력이 감소하는 즉시 스프링으로 제동장치가 작동하는 기구를 고안하였다. 이를 위하여 적은 힘으로 높은 가압력을 발생시키는 링크구조를 선택하였다. 카의 중량에 따라 가압력을 가변적으로 설정할 수 있도록 하였다. Fig. 1은 절삭 제동장치의 링크기구를 나타낸다.


Fig. 1 
Cutting brake with a linkage system activated by a preloaded spring at the onset of rope failure


3. 절삭저항력 측정을 위한 실험
3.1 절삭저항력 관련 이론

절삭저항력은 Fig. 1에서 로프 파단으로 브레이크가 작동하는 경우 절삭공구(Cutting Tool)와 가이드레일(Guide Rail) 간에 발생하는 힘을 지칭한다. Fig. 2에 보인 절삭저항력 R은 절삭칩 전단 방향 성분 Fs와 수직 방향 성분 Fs로 다음 식(1)식(2)와 같이 표현된다.

Fs=Fccosϕ-Ftsinϕ(1) 
Fn=Fccosϕ+Ftsinϕ(2) 

Fig. 2 
Force in two-dimensional cutting


Fig. 3 
Geometry of chip formation in two-dimensional cutting

여기서 Fc는 절삭 방향 분력을, Ft는 이에 수직한 배분력을 나타낸다. 전단각 ϕ는 절삭칩 전단면이 공구의 진행 방향과 이루는 각을 나타낸다. 절삭비 γ는 절삭칩 두께 tc와 절삭 깊이 t의 비율이며 식(3)으로 표현된다. 전단각 ϕ는 절삭공구 상면 경사각(Back Rake Angle) α 및 절삭비 γ식(4)의 관계를 갖는다. 마찰각 β는 절삭칩과 공구 경사면 간의 마찰계수 μ식(5)와 같이 정의된다. 절삭 방향 분력 Fc는 절삭 깊이, 전단각, 마찰각 및 공구 상면 경사각 등으로 식(6)과 같이 표현된다.11

γ=ttc(3) 
ϕ=tan-1γcosα1-γcosα(4) 
μ=tanβ=Ft+FctanαFc+Fttanα(5) 
Fc=τstwsinϕ cosβ-αcosϕ-β-α(6) 

본 연구에서는 최대한 단순화된 형상의 절삭공구로 충분한 제동력을 구현하는데 목적을 두고 있으므로, 상면 경사각을 0으로 선택한다. 절삭공구와 칩을 형성하는 가이드레일의 재질이 선택되면 마찰각 β와 전단 강도 τs는 결정이 되므로, 이 경우 절삭제동력은 절삭 깊이 t와 절삭폭 w로 정해진다. 절삭 깊이는 Fig. 1의 예압 스프링(Preloaded Spring)과 링크기구(Linkage)로 구현되는 공구 가압력 Ft에 따라 정해진다. 브레이크 제동력과 공구 가압력의 비를 μbrake로 표기하면 상면 경사각이 0이라는 조건에서 다음 식(7)의 관계가 성립한다.

μbrake=FcFt=1μ(7) 
3.2 절삭저항력 측정을 위한 실험 장비 설계

Fig. 4는 절삭저항력을 측정하기 위한 실험 장치를 나타낸다. 절삭공구 가압력 조절과 절삭 깊이 조절 기능이 있으며 MTS(810 Material Test System) 만능시험기에 장착하여 하중-변위 관계를 측정하는데 사용된다.


Fig. 4 
Fixture for measuring cutting resistance with universal testing machines

절삭 날은 SUNREX사의 Golden-500을 사용하였고, 피삭재는 알루미늄 5052-H32 2T 판재를 사용하였다. 또한 전체구조물은 알루미늄 프로파일을 사용하였고 Pin Joint로는 MISUM사의 Rod End Bearing PHS05를 사용하였다. MTS에서 당기는 속도를 0.156 mm/s로 고정하여, 그에 따른 절삭저항력을 측정하였다.

3.3 실험 결과

약 676 N으로 절삭공구를 가압한 상태에서 Fig. 5에 보인 절삭 저항-절삭 변위 관계를 측정하였다. 절삭 변위에 따라 절삭 저항이 최대 1271 N까지 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 절삭 공구 가압 스프링의 영향으로 절삭 저항의 주기적 변화가 나타난 것으로 판단된다.


Fig. 5 
Cutting resistance vs displacement measured

절삭력 측정 후 절삭 깊이가 0.114 mm로 확인되었다. α가 0이기 때문에 식(5)FcFt을 대입하면 마찰계수 μ는 0.53이 된다. 마찰계를 식(5)에 대입하면 마찰각 β는 28o가 된다. 절삭날의 너비 w는 13 mm이고, 피삭재인 알루미늄 5052-H32의 전단 응력은 138 Mpa이고 α가 0이므로, 이를 통하여 식(6)에 대입을 하면 전단각이 10.4o라는 것을 얻을 수 있다.

이를 통해 절삭 방식의 제동장치를 사용하였을 때 가압력의 1.88배의 절삭저항력을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.

또한 절삭 깊이가 0.117 mm로 설정하였을 때, 식(6)을 이용하여 예측한 절삭저항력의 크기는 1298.22 N이다. 실제 측정된 값은 Fig. 6에서 절삭저항력이 1232.78 N으로 수렴하는 것을 확인할 수 있으며 예측된 값과의 오차가 5%가 되며 충분히 근사한 값이 나오게 된다.


Fig. 6 
Graph of cutting resistance measured when cutting depth is 0.117 mm


4. 절삭 제동 기구의 성능평가
4.1 실험 장치 설계 및 제작

TRIZ를 이용하여 설계한 절삭저항력을 이용한 안전 브레이크의 성능평가실험을 진행하였다. Fig. 7은 안전 브레이크 링크 구조를 이용한 실험 장치의 분해도이다. 스프링은 sw17-25를 사용하였고, 절삭공구는 SEKN-1504-AFTN-GPN-TT7080을 사용하였다.


Fig. 7 
Exploded view of cutting resistance safety brake

안전 브레이크에 하중이 가해지면 스프링이 압축하게 되며 링크구조로 인해 절삭공구가 안으로 들어가게 된다.

Fig. 8은 실험 장치 전체 사진으로 절삭 제동 기구에 추를 달아서 하중이 가해지게 하였다. 로프의 파단으로 추락하는 상황을 만들기 위한 트리거 기구를 나타낸다. 하단부에 추를 장착한 절삭 제동 기구가 트리거에 결합되어 매달려있다가 트리거가 해제되면 추락이 시작된다. 추락이 초기에 예압된 스프링이 링크 기구를 작동시켜 절삭 제동이 시작된다. 추의 무게는 총 210 kg, 가이드 레일 사이의 거리는 150 m로 설정하였고, 안전 브레이크의 최대 낙하 거리는 300 mm로 설정하였다.


Fig. 8 
Safety brake experiment device

4.2 실험 결과

안전 브레이크의 자유낙하 제동 특성을 Fig. 9에 도시하였다. 낙하 시작 후 0.4초에 97 mm를 내려가는 것을 알 수 있다. 변위 데이터를 Polynomial Fitting하여 산출한 속도와 가속도 특성을 Fig. 10에 도시하였다. 낙하 가속도는 0.6 G로 시작하는 것으로 보아 낙하 즉시 제동 기구가 작동하는 것을 알 수 있다. 약 20 kg의 예압 스프링 가압력으로 210 kg의 중량물 제동이 가능한 것을 확인하였다.


Fig. 9 
Safety brake free fall displacement vs time


Fig. 10 
Safety brake free fall acceleration vs time

낙하 제동 시 브레이크 및 추의 결합체가 Fig. 11에 보인 것과 같이 좌우로 요동하는 Yawing이 발견되었다. 이는 링크기구의 전개 시 좌우 절삭 저항에 미세한 차이가 생겨서 발생하는 현상으로 추정된다.


Fig. 11 
Safety brake yaw angle vs time


5. 제동 특성을 고려한 설계 보완
5.1 낙하 제동의 동적 해석

안전 브레이크의 거동에 대한 동력학적 해석을 위하여 Fig. 12에 보인 ADAMS 모델을 이용하였다. 예압 스프링은 29.43 N/mm의 계수를 갖으며 링크기구를 포함한 주요 작동 부품들은 실제 소재와 동일한 비중을 갖는 강체로 표현되었다. 절삭을 구현하기 위해서 절삭날과 피삭재 사이의 Table 2와 같은 접촉 조건을 설정하였다.12


Fig. 12 
Adams model

Table 2 
Contact conditions between the cutting tool tips and the guide rails for the ADAMS model of Fig. 8
Contact condition Normal force Stiffness Force exponent Damping Penetration
impact 1.05E5 N/mm 2.2 14.6 0.01 mm
Friction force Coulomb friction Static coefficient Dynamic coefficient Stiction transition Vel Friction transition Vel
Coulomb on 1.88 1.88 0.01 0.02

제동 특성에 대한 ADAMS 해석 결과와 실험 데이터를 Figs. 1314에 도시하였다.


Fig. 13 
Free fall behavior from measurement and ADAMS simulations


Fig. 14 
Free fall yaw behavior from measurement and ADAMS simulations

제동 변위에 대한 해석 결과는 실험 데이터와 대체적으로 유사한 경향을 보이고 있으나, Fig. 14에 보인 Yaw 거동에 대하여는 해석 결과가 실제보다 과장된 결과를 보이고 있다. 작동 부품 간의 마찰, 브레이크 기구의 변형, 브레이크와 추 연결부의 변형 등으로 인한 감쇄 효과를 실제에 가깝게 구현하면 이러한 문제가 개선될 것으로 생각된다.

5.2 제동 기구의 설계 보완

제동 성능에 있어서 제동 거리와 제동 시간이 기존 마찰 브레이크에 비하여 매우 짧아 기대했던 성능이 얻어졌다고 볼 수 있다.

다만, 이미 언급한 바와 같이 낙하 제동 시 브레이크 및 추의 Yawing이 발견되었다. 실제로는 제동 거리와 제동 시간이 짧으므로 이러한 Yawing이 문제가 되지 않을 수 있다.

제동 거리와 시간을 다소 길게 선택하는 경우에는, 링크기구 전개 시 댐핑 기구로 진동을 억제하여 절삭제동력의 좌우 편차를 감소시키는 방안을 생각할 수 있다.


6. 결론

본 연구에서는 추락 초기에 로프의 장력을 감지하여 즉시 작동하며 높은 제동력을 갖는 절삭 브레이크를 고안하였다. 신속한 제동 기능과 더불어 설치 및 수리가 편리하도록 구조가 단순하고 크기가 작게 설계하였다.

TRIZ 모순해석을 통하여 기존 마찰 브레이크의 한계점들을 극복하는 방안을 모색하였고, 이 결과 로프의 장력을 감지하여 가동되는 절삭 제동 기구의 설계 개념을 도출할 수 있었다.

시제품 시험을 통하여 추락이 시작됨과 동시에 제동 기구가 작동하는 것을 확인하였다. 또한 절삭 이론과 실험을 통해 분석한 가압력과 제동력의 비가 마찰 브레이크에 비해 월등히 높은 것을 확인하였다.

절삭 제동 시 브레이크와 추의 Yawing이 발견되었다. 대부분의 경우 제동 거리와 제동 시간이 매우 짧으므로 이러한 Yawing이 문제가 되지 않는다. 부득이하여 Yawing을 억제해야 하는 경우에는 링크기구에 적절한 댐퍼를 추가하여 좌우 절삭 저항의 차이를 감소시키는 방안을 생각할 수 있다.

실제 승강기에 적용하기 위해 사용 횟수에 따른 절삭공구의 마모량 분석 및 마모 정도에 따른 제동력 변화, 제동력의 공구 위치에 대한 민감도 등의 추가적인 연구가 필요하다고 생각된다.


References
1. Cho, Y. J., “Improvement of Elevator Management System after Completion,” Journal of the Korea Institute of Building Construction, Vol. 16, No. 5, pp. 455-461, 2016.
2. Korea Elevator Safety Agency, “Overall Status of Elevator Accidents,” http://www.koelsa.or.kr/wpge/m_140/info/info020201.do (Accessed 22 JUNE 2020)
3. Chung, K. T. and Kim, D. B., “An Experimental Study of Spring Acting Rope Brake for Lift,” Proc. of the SARK Summer Conference, pp. 1258-1261, 2011.
4. Kim, S. K., “Maintenance of Elevator Equipment,” The Proceedings of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 9, No. 3, pp. 38-47, 1995.
5. El-Tayeb, N. and Liew, K., “On the Dry and Wet Sliding Performance of Potentially New Frictional Brake-Pad Materials for Automotive Industry,” Wear, Vol. 266, Nos. 1-2, pp. 275-287, 2009.
6. Gurunath, P. and Bijwe, J., “Friction and Wear Studies on Brake Pad Materials based on Newly Developed Resin,” Wear, Vol. 263, Nos. 7-12, pp. 1212-1219, 2007.
7. Huh, J. and Oh, S., “Patent Trend Analysis of Elevator Fall Prevention System,” Journal of Korea Intellectual Patent Society, Vol. 15, No. 1, pp. 31-35, 2014.
8. Kim, J. H., Cho, C. H., and Kim, K. H., “Design Improvement of a Device for Spine Manipulation with TRIZ,” Proc. of the Spring and Fall Conference on Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 249-254, 2010.
9. Lee, K. S. and Choi, J. H., “A Conceptual Design of New Automatic Bicycle Transmission by TRIZ and Design Axiom,” Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol. 33, No. 3, pp. 269-275, 2009.
10. Kore TRIZ Association, “The History of TRIZ,” http://www.triz.or.kr/sub02/page1.php (Accessed 22 JUNE 2020)
11. Kim, D. W., “Machine Manufactuting Method,” Cheongmoon, pp. 387-394, 1994.
12. Cho, D. H. and Kim, K. H., “Optimization of a Mechanism for Power Transfer Breakers,” Proc. of the Spring Conference on Korean Society for Precision Engineering, pp. 735-739, 2002.

Se Young Na

M.Sc. in the Department of Mechanical Engineering, Korea University. His research is in the design of machine

E-mail: sayong228@naver.com

Doo Hyun Cho

Ph.D. candidate in the Department of Mechanical Engineering, Korea University. His research interest is in the design and development of precision machines.

E-mail: dh9.cho@gmail.com

Kwon Hee Kim

Professor in the Department of Mechanical Engineering, Korea University. His research interest is in the creative design of mechanical systems and commercial products.

E-mail: kwonhkim@korea.ac.kr