벨트 컨베이어

왜 배우는가: 벨트 컨베이어는 석탄과 골재 같은 벌크 재료를 연속으로 운반하는 대표 설비이며, 발전소와 골재 플랜트의 설비계획에서 반복해 다뤄진다. 용량 계산, 아이들러 선정, 안전장치는 설비계획 문항의 핵심이므로 정의와 원리를 먼저 정확히 잡아야 한다.

출제 이력: 제117회 3교시 6번, 제113회 3교시 1번, 제110회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

벨트 컨베이어는 무한 루프 벨트를 풀리로 회전시켜 재료를 연속으로 운반하는 설비이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 아래 키워드를 설명에 자연스럽게 넣는다.

• 무한 루프 벨트: 두 개 이상의 풀리 둘레를 도는 연속된 고리 형태의 운반 매체이다. 재료는 이 벨트 위에 실려 이동한다.
• 풀리와 드럼: 벨트를 감아 회전시키는 원통 부품이다. 구동 풀리는 벨트를 움직이고 종동 풀리는 벨트의 방향을 바꾼다.
• 아이들러: 벨트를 지지하며 함께 도는 롤러이다. 벨트 단면의 모양과 정렬을 정하며, 벨트 컨베이어의 효율은 주로 아이들러에 달려 있다.
• 벌크 재료: 석탄, 곡물, 골재처럼 낱개가 아니라 덩어리나 입자 상태로 운반하는 재료이다.
• 부피 용량: 단위 시간에 운반하는 체적이며 m³/h로 나타낸다. 단면적과 벨트 속도의 곱에 비례한다.
• 질량 용량: 부피 용량에 비중량을 곱해 t/h로 나타낸 운반 능력이다.
• 토로우 각도: 벨트 단면을 오목하게 만드는 측면 롤러의 경사각이다. 용량과 재료의 안정성에 영향을 준다.
• 안정각: 재료를 쌓았을 때 흘러내리지 않고 버티는 최대 경사각이다. 토로우 각도를 고르는 기준이 된다.

2. 개념 풀이

벨트 컨베이어는 두 개 이상의 풀리 사이에 무한 루프 형태의 벨트를 걸고, 벨트를 구동하여 재료를 한 지점에서 다른 지점으로 옮기는 연속 운반 설비이다. 벨트가 재료를 직접 받치는 운반 매체이므로 벨트의 강도와 벨트를 떠받치는 지지 장치가 설비 성능을 결정한다.

원리는 마찰과 단면 형상으로 설명한다. 재료는 벨트 표면과의 마찰로 벨트와 함께 움직인다. 벨트를 측면에서 올려 오목한 단면을 만들면 재료가 벨트 가운데에 모여 한 번에 실을 수 있는 양이 늘어난다. 이때 벨트를 받치는 아이들러의 배치가 벨트의 정렬과 회전 저항을 좌우한다.

설계는 벨트 속도와 폭을 먼저 정하는 것에서 시작한다. 벨트 속도는 운반 중 재료가 벨트에서 낙하하는 것을 최소화하도록 선택하며, 벨트 폭은 용량 요구, 작동 속도, 경사각, 토로우 각도와 깊이에 따라 달라진다. 벨트 컨베이어의 부피 용량은 단면적 × 벨트 속도 × 60으로 계산한다. 벨트 컨베이어의 질량 용량은 비중량 × 부피 용량 ÷ 1000으로 계산한다.

$Q_v = A \times v \times 60$

$Q_m = \frac{\gamma \times Q_v}{1000}$

Q_v는 부피 용량(m³/h), A는 단면적(m²), v는 벨트 속도(m/min)이다. Q_m은 질량 용량(t/h), γ는 재료의 비중량(kg/m³)이다. 식의 60은 분을 시간으로 바꾸는 값이고, 1000은 kg을 t로 바꾸는 값이다. 단위가 맞아떨어지는지 확인하면 계산 오류를 줄일 수 있다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 벨트 속도: 용량을 정하는 가장 직접적인 변수이다. 속도가 너무 빠르면 재료 낙하가 커지므로 재료 특성에 맞는 값을 고른다.
• 토로우 각도: 측면 롤러의 경사각이며 재료의 안정각을 기준으로 고른다. 안정각 20°인 벼(파디)에는 20° 토로우 각도가 가장 적합하며, 다른 일반적인 토로우 각도는 30°와 45°이다.
• 아이들러: 벨트를 지지하는 롤러이며 평면형과 토로우형이 있다. 아이들러 종류는 벨트에 가해지는 단면 하중에 영향을 미친다.
• 카커스 보강 고무 벨트: 대부분의 벌크 재료 운반용 벨트 컨베이어는 카커스(골격 층)로 보강된 고무 벨트를 쓴다.

아이들러는 종류별로 쓰임이 다르다. 평면 벨트 아이들러는 안정각이 관련 기준이 정한 값 이상인 입자 재료에 쓴다. 평면 벨트 아이들러는 저용량 요구에 적합하다. 20° 토로우 아이들러는 모든 종류의 벌크 재료 운반에 쓴다.

벨트 컨베이어 시스템은 벨트, 풀리, 아이들러, 구동장치, 그리고 재료를 받고 내보내는 호퍼와 슈트로 이루어진다. 호퍼와 슈트의 개구부는 사람이 닿아 위험할 수 있으므로 덮개나 울을 설치하는 것이 원칙이다.

3. 등장 배경과 필요성

벨트 컨베이어는 대량의 재료를 한 방향으로 끊김 없이 옮겨야 하는 요구에서 발달했다. 탄광에서 쓸 최초의 컨베이어 벨트가 발명되었다. 이 벨트는 반쪽 비틀기를 도입해 모든 면을 균등하게 쓸 수 있었으므로 기존 벨트보다 수명이 길다는 장점이 있었다. 1890년대 말에서 1900년대 초의 컨베이어 벨트는 산업 자동화의 첫 주요 돌파구 가운데 하나였다.

현대 산업에서 벨트 컨베이어가 쓰이는 이유는 장거리를 연속으로 운반하고, 경사나 하강이 필요한 구간에 적합하며, 하중의 방향과 위치를 높은 수준으로 제어할 수 있기 때문이다. 평면 벨트 컨베이어는 가벼운 중간 무게 하중을 작업 단계, 부서, 층, 건물 간에 운반하는 데 쓰인다.