학습 목표
여기에서는 아래에 대하여 알아볼 것입니다.
유압식 엘리베이터의 파워 유니트에 대한 이해
파워 유니트의 적합한 부품 선택
엘리베이터 산업 안전 규정에 관한 중요한 지침
파워 유니트 구성 기술
유압식 엘리베이터에 사용되는 실린더 유형
개요
유압식 엘리베이터 제조업체, 특히 파워 유니트를 전문으로 제조하는 회사들은 부품을 선택할 때 어려운 선택 사항에 직면합니다. 구성 요소의 가용성, 가격 요인, 내구성 및 구성 요소의 안정성이 대부분을 차지하지만, 기능적, 운영적 측면도 고려됩니다. 여기에서는 구성 요소 선택에 관한 지침을 제공하고 파워 유니트와 유압식 엘리베이터에 사용되는 제품에 최적으로 제공해야 하는 기본적인 특성과 선택적 특성에 대해 알아볼 것입니다. 또한, 유압 파워 유니트나 엘리베이터가 생소한 사람들에게 교육적인 자료가 되기를 바라며, 공급 업체 및 OEM 업체와 연락할 때, 무엇을 알고 물어봐야 하는지에 관한 솔루션을 제공할 것입니다.
소개
유압식 엘리베이터는 보통 기계실이나 건물의 지하실 또는 승강기 통로에 있는 파워 유니트로 작동됩니다. 어떤 형태로든 위치할 수 있습니다. 탱크(오일 저장고), 컨트롤 밸브, 차단 밸브, 펌프, 모터 및 안전밸브가 가장 기본적인 형태입니다 (그림 1).
공급 업체에 따라 실린더는 파워 유니트에 포함되기도 합니다. 여기서는 파워 유니트에 사용되는 부품을 EN 81-2 코드 별 선택 기준과 기능 및 요구 사항에 따라 개별적으로 분석할 것입니다. 그리고 이 글을 읽은 후에는 왜 산업 유압 분야의 유사 제품을 사용해서는 안 되는지에 관한 이유가 분명해질 것입니다.
펌프, 파워 유니트의 심장
심장을 통해 혈액이 몸에 돌아다니는 것처럼, 유압 펌프는 유압 회로를 통해 오일을 이동시킵니다. 심장이 없으면 살 수 없듯이, 유압식 엘리베이터 또한 펌프가 없으면 작동할 수 없습니다. 유압 펌프는 기계적 에너지를 유압 에너지로 변환시킵니다. 유압 펌프가 작동되면 유체(오일)가 펌프로 들어가는 동안 펌프의 작용으로 인하여 입구에 부분 진공이 생성됩니다. 펌프는 이 유체를 펌프에 잡아두고 유압 시스템으로 전달하여 오일을 이동시키고 흐름을 생성합니다. 펌프는 압력을 발생시키지 않습니다: 압력은 유압 회로의 흐름에 대한 저항에 의해 발생합니다.
내장형 스크류 펌프는 회전자(rotor) 상의 축 방향과 반경 방향의 힘은 유압학적으로 균형을 이루며, 회전자와 아이들러(idlers) 사이에 금속 접촉이 없으므로 엘리베이터 파워 유니트에 가장 널리 사용되는 최상의 선택입니다. 스크류 펌프(그림 2)는 적은 기계적 진동, 진동 없는 흐름과 고속에서도 조용한 작동을 일으키는 것으로 잘 알려져 있습니다.
펌프 출력은 압력에 따라 다릅니다. 최고 압력(엘리베이터 카의 최대 적재량)에서 펌프 출력을 확인하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 75 lpm 스크류 펌프는 10 bar에서 80 lpm, 80 bar에서 68 lpm을 제공할 수 있습니다. 펌프의 전체 효율은 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
P = 압력(bar), Q = 유량(lpm), W = 입력(input) 전력(kW)
밸브, 파워 유니트의 두뇌
사람의 두뇌는 우리 몸을 명령하고 신체 부위가 행동하도록 지시합니다. 마찬가지로, 유압 엘리베이터 파워 유니트의 컨트롤 밸브는 카를 올리거나 내리는 실린더의 오일 흐름을 조절하는 데 있어 중요한 역할을 합니다. 파워 유니트는 분당 고정 출력을 제공하는 지속형 펌프를 사용하므로 오일 흐름을 제어하는 컨트롤 밸브가 필요합니다. 이는 부드러운 출발, 완만한 가속으로 최고 속도 도달, 최고 속도 운행, 부드러운 감속을 제어하여 승강기를 도착층에 부드럽게 정지시킵니다. 컨트롤 밸브가 없는 경우, 엘리베이터 카는 펌프, 모터가 가동될 때 로켓처럼 급출발 되거나 카 내부는 지진이 난 것처럼 느껴질 정도로 흔들리거나 정지될 수 있습니다.
컨트롤 밸브는 과도한 오일을 탱크로 되돌려 보내는 등의 오일의 흐름을 조절하여 바이 패스, 가속, 감속 및 레벨링 단계에서 압력이 서서히 올라가고, 떨어지도록 하여 보다 부드러운 승차감을 제공합니다. 유압 엘리베이터에 사용되는 컨트롤 밸브의 역할은 다음과 같습니다.
위, 아래 방향으로 운행할 때, 실린더의 오일 흐름을 제어합니다.
샤프트 전환 확인 방법(일반적으로 솔레노이드 밸브를 사용)
압력 릴리프 밸브 및 체크 밸브 *
비상 사태 시 엘리베이터를 내릴 수 있는 수동 하강 기능 *
주기적 검사를 위해 압력을 확인하는 압력계 및 검사 포트가 있음 *
더 부드러운 운행을 위해 레벨링 조정과 정지 속도를 제어하여 운행 품질 상향
엘리베이터가 하강 방향으로 과속도를 못 하게 함 *
간접식 유압 시스템에서 느슨해진 로프(slack rope) 상황을 막기 위한 안전밸브 포함 * (* = EN 81-2 안전 지침에 따른 필수 사항)
우수한 품질의 제품은 다음과 같은 기타 기능을 제공합니다: 내장 댐핑(damping), 체크 밸브 및 하강 밸브와 같은 추가 부품을 연결/장착할 수 있습니다, 정전 시 또는 시스템 오작동 시 자동 비상 정지, 핸드 펌프(비상시 엘리베이터 올리기), 차단 밸브, 압력 스위치 등을 부착할 수 있습니다.
올바른 컨트롤 밸브 선택 방법
실린더 직경이 주어졌다면, 승강기의 속도는 펌프에 의해 결정됩니다. 그러므로 유량과 압력은 컨트롤 밸브의 타입과 크기를 결정하는 중요한 요소입니다. 컨트롤 밸브가 최대 유량에서 최소 압력 손실을 제어할 수 있는지와 유압식 엘리베이터가 최대 압력을 가질 수 있는지를 확인하는 것이 중요합니다 (표 2).
운행의 품질은 컨트롤 밸브의 기능에 따라 결정됩니다. 상승과 하강을 위한 2개의 속도(레벨링 및 최대 속도) 밸브는 승객용 엘리베이터에 적합하지만 댐핑 기능이 내장된 단일 속도 밸브는 화물용이나 주차용 리프트에 적합합니다. 차량의 하중 비율이 2.5배~3배를 초과하는 경우에는 압력 보상이 필요합니다. 주차 및 화물용 엘리베이터는 전형적인 예시이며, 적재된 카는 빈 카보다 3~4배 더 무겁습니다. 유압(기계식) 밸브는 압력 보상 방법을 사용하지 않고는 필요한 운행 특성을 제공하지 못합니다. 따라서, 컨트롤 밸브가 넓은 범위의 압력 변화를 보상하는 옵션을 제공하는지 확인해야 합니다.
유압 오일의 오염은 시스템 고장의 근본적인 원인이 될 수 있습니다. 따라서 컨트롤 밸브가 자체 세척 필터를 제공한다면, 보호를 할 수 있으며, 서비스와 작동 수명이 연장될 수 있습니다. 따라서, 컨트롤 밸브에 내장된 자체 세척 필터가 있는지 확인해야 합니다.
느슨해진 로프(slack rope) 밸브는 중요한 안전 기능입니다. 이 안전장치가 없는 컨트롤 밸브는 간접식(2:1) 설치에 절대 사용해서는 안 됩니다. 컨트롤 밸브가 간접식 설치를 위해 느슨해진 로프(안전) 밸브를 제공하는지 확인하십시오.
문제없는 서비스를 위해 단시간에 컨트롤 밸브의 부품을 구할 수 있는지 확인하십시오.
선택한 컨트롤 밸브와 부품들이 엘리베이터를 위해 설계되었으며 안전 코드 및 지침에 따라 인증 및 검사되었는지 확인하십시오.
앞서 언급한 기능 수행을 위해 산업용 유압 밸브를 사용하는 것은 매우 높은 압력 손실, 열악한 주행 성능, 어려운 조정 및 설정과 같은 문제를 일으킬 수 있기 때문에, 산업용과 엘리베이터용 밸브를 구분하여 사용하는 것이 좋습니다. 산업용 밸브는 승객과 엘리베이터를 위해 고안된 것이 아닙니다. 안전 기능이 부족하기 때문에, 적절한 엘리베이터용 컨트롤 밸브를 사용하는 것을 추천합니다.
모터, 파워 유니트의 힘
유압식 엘리베이터에서 모터의 역할은 펌프에 힘을 공급하는 것입니다. 펌프는 분당 주어진 회전수(rpm)로 필요한 배출량(lpm)을 공급합니다. 모터는 내장형과 외장형으로 나누어집니다. 사용되는 모터의 유형에 관계없이 펌프를 구동하기 위해 생성해야 하는 전력(kW)은 동일하게 유지됩니다. 정격 전력 등급을 가진 모터를 선택하는 것은 중요합니다. 올바르지 않은 정격 등급의 모터는 전달, 정지 및 마모를 일으키고, 과열된 모터는 비용과 크기 그리고 전력 소비를 증가시키기 때문입니다. 두 번째로, 모터에 과부하를 일으키는 것은 효율적이지 못한 모터의 작동을 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 35% 부하에서 작동하는 모터는 동일한 부하에서 더 작은 모터보다 효율이 낮습니다. 그리고 불필요한 열을 발생시킬 수 있습니다.
파워 유니트용으로 설계된 고품질의 모터는 손상 없이 단시간에 최대 20%까지 과부하를 걸 수 있습니다. 모터 비용과 작동 비용을 비교했을 때, 모터를 작동하는데 쓰이는 전기 비용은 모터 자체 비용의 몇 배 이상이라고 단언할 수 있습니다. 표준 모터의 작동 효율을 보통 83%~92%이라고 하지만, 에너지-효율적 모터의 성능은 훨씬 뛰어납니다. 92%에서 94%의 효율을 보이며, 손실을 25% 감소시킬 수 있습니다.
유압식 엘리베이터는 중력으로 인해 내려가기 때문에 하강 시에는 어떠한 에너지도 사용하지 않습니다. 파워 유니트의 모터는 지속적으로 작동하지 않는다는 것을 명심해야 합니다. 또한, 승강기는 항상 최대 무게로 운행하지 않으므로, 모터 역시 언제나 최대로 작동하지 않습니다.
따뜻한 기후에서는 외부 모터를 선호합니다. 자동 작동이 가능한 3상 모터가 유압식 엘리베이터 설치에 이상적입니다. 필요에 따라 2극 또는 4극 모터를 선택할 수 있습니다. 3,000 rpm의 2극 모터는 1,500 rpm의 4극 모터 보다 약간 더 큽니다. 펌프를 구동하는 2극 모터가 rpm이 더 높기 때문에 동일한 펌프에서 4극 모터보다 더 많은 오일을 배출할 수 있습니다. 예를 들어, 방전 보상을 위해, 2극 75 lpm 펌프를 사용하는 대신, 4극 모터와 150 lpm 펌프를 사용하여 더 효과적으로 75 lpm을 얻을 수 있습니다.
올바른 모터 선택 방법
올바른 모터 rpm 및 유형(내장형 또는 외장형)을 선택하십시오.
모터 크기가 파워 유니트 및 엘리베이터 부하에 적합한지 확인하십시오.
최대 부하에서 모터 효율을 점검하십시오.
모터가 얼마나 오랫동안 과부하 될 수 있는지 확인하십시오.
유압 엘리베이터 모터 시동 방법
유압 엘리베이터에 사용되는 모터가 시스템에 동력을 전달하기 위해 필요한 토크를 제공해야 하지만, 이 방법 역시 고려되어야 합니다. 유압식 엘리베이터가 출발할 때 문제가 있는 경우는 부적절한 모터 시동 기술에서부터 해결책을 찾아야 합니다. 가장 일반적인 시작 방법(표 3)은 다음과 같습니다.
직접 출발(Direct-on-line start-DOL)
스타-델타 출발
부드러운 출발
실린더, 파워 유니트의 팔
푸시형 실린더(Push-type cylinder)
유압식 엘리베이터에 사용되는 푸시형 실린더는 대부분 플런저형(피스톤과 피스톤 로드가 동일한 경우)이므로 산업용에서 사용되는 것과 약간 다릅니다. 단동형 푸시 실린더는 엘리베이터 응용 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 실린더입니다. 이는 저렴하고 제조하기가 쉽습니다. 거의 모든 철강 생산 회사는 다양한 크기의 철강 파이프를 공급할 수 있습니다. 고품질의 재료를 사용하는 경우 파이프 준비 및 사용을 위한 가공이 거의 필요하지 않습니다. 또한 대안책으로 풀형(pull-type) 실린더를 사용할 수 있습니다.
푸시형 실린더를 선택할 때 주의해야 할 기본 사항은 다음과 같습니다.
푸시형 실린더는 압축 하중을 받습니다.
피스톤의 직경은 행정거리에 직접 비례하므로 승강기의 행정거리가 길수록 좌굴을 방지하기 위해 피스톤 직경이 커져야 합니다.
유압 시스템의 압력은 피스톤 직경에 반비례합니다. 즉, 직경이 커지면 압력이 낮아집니다(일정한 하중이 주어짐).
피스톤이 클수록 주어진 속도에 도달하는데 필요한 펌프 배출량이 커집니다. 따라서 펌프의 크기는 실린더 크기와 직접적인 관련이 있습니다.
직접식 실린더가 장착된 엘리베이터는 1:1이거나 2:1 일 수 있습니다.
후자의 경우, 실린더는 피트 위에 있으며, 전자의 경우 실린더는 엘리베이터 카 아래 피트에 묻혀 있습니다.
초기의 유압식 엘리베이터는 단일 바닥 구조와 제한적인 부식 방지 기능을 갖추고 있었습니다.
새로운 홀타입 실린더는 바닥이 이중으로 되어있으며, 부식과 전기 분해 문제면에서 더욱 향상된 고분자 슬리브(polymer sleeve)를 채택하고 있습니다.
풀형 실린더(Pull-type cylinder)
풀형 실린더는 푸시형 실린더와 근본적으로 다르게 작동기 때문에 설계부터 다릅니다. 실린더는 카운터 웨이트와 함께 사용되며 유압 오일은 엘리베이터를 상승시키기 위해 실린더의 피스톤을 밀어냅니다. 따라서, 피스톤 이동은 푸시형과 반대 방향이 됩니다. 풀형 실린더가 있는 엘리베이터는 항상 간접식입니다(2:1 로핑). 풀형 실린더는 일반 유압 실린더와 마찬가지로 피스톤과 피스톤 로드를 가지고 있습니다. 로드는 압축보다는 인장 하중을 받는 피스톤 로드로 사용되므로 좌굴 힘을 받지 않습니다. 이 때문에 더 작은 지름의 피스톤 로드를 사용하여 재료를 절약할 수 있습니다. 카운터 웨이트는 빈 카 중량의 2/3를 상쇄하고 전체적인 열 손실을 줄입니다. 이 또한 전력 소비를 줄이고 승강기 설치를 친환경적으로 만들어 줍니다. 실린더 설계는 실린더가 얼마나 많은 양의 하중을 들어 올릴 수 있는지에 대한 계산을 기반으로 합니다. 이 경우 카운터 웨이트는 실린더에서 발생되는 힘에 힘을 더해주므로 매우 생산적이게 됩니다. 실린더를 선택할 때 고려해야 할 중요한 기준은 하중, 속도 및 기계적 안정성입니다.
실린더 제조업체는 행정거리 및 엘리베이터 부하에 대한 실린더 크기를 선택하기 위한 선택 차트를 가지고 있습니다. 실린더 크기 또한 계산할 수 있습니다. EN 81-2는 램, 실린더, 파이프 및 피팅 계산 방법을 매우 명확하게 정의하고 있습니다. 기계적 강도 측면에서, 피스톤 직경은 전체 부하 및 행정 하에서 피스톤이 구부러져서는 안되도록 설계되어야 합니다.
럽쳐 밸브, 유압 엘리베이터의 낙하산
고공 다이빙을 할 때 낙하산이 필요한 이유처럼, 럽쳐 밸브도 유압식 엘리베이터에서 낙하산 역할을 합니다. 럽쳐 밸브(과속도 제동 시스템)가 없는 경우, 컨트롤 밸브와 실린더를 연결하는 호스가 터지면 갑작스러운 압력 강하로 인해 카가 추락할 수 있습니다.
유압식 엘리베이터에서 럽쳐 밸브는 인명 구조 장치이며 EN 81-2에 따라 의무적으로 장착되어야 합니다. 승객용 유압 엘리베이터는 이 밸브가 없는 경우 검사 인증을 받을 수 없습니다. 주 실린더 라인에 고장이 발생하거나 하강 속도가 허용 한계를 초과하는 경우 럽쳐 밸브가 닫혀 차량이 부드럽게 정지합니다. 럽쳐 밸브는 포트 크기가 아닌 유량에 따라 결정된다는 점에 유의해야 합니다. 엘리베이터에 문제가 생겼을 경우 카를 가까운 층으로 보낼 수 있는 기능을 가진 밸브가 있다면, 구조를 기다릴 필요 없이 승객을 안전하게 구할 수 있으므로 고려해 볼 가치가 있습니다.
럽쳐 밸브 이용 시 고려 사항 :
엘리베이터 설계 및 인증: 엘리베이터 안전 표준은 럽쳐 밸브의 설계 및 기능을 명확하게 설명합니다. 호스가 파열되는 경우 컨트롤 밸브와 럽쳐 밸브 사이의 압력은 0으로 떨어지며, 반대쪽에서는 럽쳐 밸브와 실린더 사이의 압력이 갑자기 상승합니다. 럽쳐 밸브(실린더와 럽쳐 밸브 사이)의 최고 압력은 어떠한 경우에도 정압의 3.5배 이하여야 합니다. 따라서 엘리베이터를 위해 설계되고 인증된 제품을 선택하는 것이 중요합니다. 비용 효율적인 대안이 있을 수 있지만 이는 승객과 엘리베이터의 안전을 크게 위협할 수 있습니다.
밸브 장착: 좋은 제조업체는 다양한 연결부를 제공하고 실린더에 럽쳐 밸브를 장착할 수도 있습니다. 실린더 제조업체는 제품에 따라 다양한 연결 방법을 제공합니다. 예를 들어 표준 파이프 나사산 포트를 제공할 수도 있고, 내셔널 파이프 스레딩(National Pipe Thread)의 나사산 또는 자동차 엔지니어 협회(Society of Automotive Engineers)의 플렌지 연결부를 제공할 수도 있습니다. 따라서 주문 전에 커플링 옵션을 확인하는 것이 중요합니다.
트윈 실린더용 밸브의 적합성: 두 개의 실린더가 일렬로 작동하는 엘리베이터 설치에는 두 개의 럽쳐 밸브가 필요합니다. 그러나 두 밸브는 서로 연결되어 있어야 동시에 작동할 수 있습니다. 각 밸브의 압력 챔버를 연결하여 호스가 파열되었을 때, 두 밸브가 동시에 닫힐 수 있도록 해줍니다. 2개의 럽쳐 밸브 연결은 두 밸브가 거의 동시에 닫힐 수 있도록 합니다. 일반적으로 호스 직경은 표 4에 나열된 직경 이상이어야 합니다.
평가 문제
1. 가장 기본적인 형태의 유압 파워 유니트 란 무엇입니까?
A. 탱크(오일 저장고), 컨트롤 밸브, 차단 밸브, 펌프, 모터 및 안전밸브.
B. 탱크, 럽쳐 밸브, 펌프 및 모터.
C. 내장형 펌프 및 안전밸브.
D. 탱크, 컨트롤 밸브, 모터, 펌프 및 럽쳐 밸브 연결부.
2. 유압식 엘리베이터에 사용되는 구성 요소에 적용할 수 있는 유럽 엘리베이터 코드는 무엇입니까?
A. ASME A17.1.
B. ASME A17.7.
C. CSA B44.
D. EN 81-2.
3. 다음 중 내장형 스크류 펌프의 장점이 아닌 것은 무엇입니까?
A. 자동 작동.
B. 진동 출력.
C. 광범위한 유량 범위 적합성.
D. 기계적 진동이 낮음.
4. 유압 회로에서 압력은 어떻게 발생합니까?
A. 안전 밸브는 펌프에 오일이 들어갈 수 있도록 부분 진공을 생성합니다.
B. 탱크는 오일을 저장하고 이를 통해 유압 시스템으로 전달합니다.
C. 유압 회로의 흐름에 대한 저항.
D. 펌프가 압력을 발생시킵니다.
5. 스크류 펌프 제조업체의 데이터 시트는 40 bar(580.14 psi)에서 76 lpm(20.07 gpm)을 공급하는 펌프에 대해 6.9 kW(9.25 마력)의 모터 동력을 보여줍니다. 전체 펌프 효율을 계산하십시오.
A. 0.73
B. 1.52
C. 2.07
D. 5.84
6. 파워 유니트에서 컨트롤 밸브의 역할은 무엇입니까?
A. 엘리베이터가 자유 낙하하는 것을 방지합니다.
B. 카를 오르내리는 실린더의 오일 흐름을 조절하는 것을 돕는다.
C. 분당 고정 출력을 제공하는 펌프의 보조 역할로 사용됩니다.
D. 각 층에서 차량의 수평 조절 능력을 직접 제어.
7. 승객용 엘리베이터에 사용되는 컨트롤 밸브의 특징은 무엇입니까?
A. 실린더 내의 오일 흐름을 제어하는 기능.
B. 샤프트 전환을 식별하는 수단(일반적으로 솔레노이드 밸브를 사용하여 달성).
C. 압력 릴리프 밸브 및 체크 밸브.
D. 압력 보상 제어.
8. 유압식 엘리베이터에서 압력 보상이 필요한 곳은 어디입니까?
A. 적재된 카의 하중 비율이 2.5배에서 3배를 초과하는 경우.
B. 적재된 카의 압력이 빈 카의 압력보다 6~7 배 높은 경우.
C. 유압(기계식) 밸브가 사용되는 곳.
D. 트윈 실린더 설치시.
9. 유압식 엘리베이터용 모터를 선택하는 데있어서 어떤 요소가 잘못되었습니까?
A. 올바른 모터 rpm 및 유형(내장 또는 외장)을 확인하십시오.
B. 모터의 정격 전력이 최대 작업을 초과하는지 확인하십시오.
C. 모터 크기가 파워 유니트 및 엘리베이터 부하에 적합한 지 여부.
D. 최대 부하에서의 모터 효율.
10. 푸시형 실린더를 선택할 때 고려해야 할 가장 기본적인 사실은 무엇입니까?
A. 탱크 크기와 최대 모터 rpm.
B. 모터가 얼마나 견딜 수 있는가.
C. 유압 시스템의 피스톤 직경과 압력.
D. 럽쳐 밸브가 어떻게 장착 될 것인가.
정답
1.A, 2.D, 3.B, 4.A, 5.A , 6.B, 7.A, 8.A, 9.B, 10.C
파라그 메타(Parag Mehta)는 블레인(Blain Hydraulics GmbH-독일)에서 유압 엘리베이터 용 컨트롤 밸브의 연구 개발에 종사하고 있습니다. 그는 엔지니어링 설계 및 프로젝트 관리 분야에서 10년 이상의 경험을 쌓은 기계 엔지니어입니다. 메타는 컴퓨터 지원 설계를 전문으로 합니다. 그는 유압 엘리베이터에 대한 다양한 기술 기사를 출간했으며, 인도 내륙 하부에서 블레인의 우수성을 알리고 있습니다.
출처: Elevator world Inc, <https://www.elevatorbooks.com/Content/Site125/FilesSamples/179617pdf_00000088492.pdf>