유압장치

유압 시스템은 유체 에너지를 생산하는 동력원부, 일을 하는데 필요한 힘의 크기, 속도 운동 방향을 조절할 수 있는 제어부, 직접 일을 하는 구동부로 구성되어 있다.

1. 유압의 5 대 요소

1. 유압펌프 기름탱크로 부터 유체를 흡입하여 유체의 흐름을 발생시킨다. 2. 유압제어밸브 유압제어밸브 일의 3요소인 힘, 속도 및 방향을 제어하기 위한 압력, 유량 및 방향제어 밸브 등이 있다. 3. 작동기 직선운동을 하는 유압 실린더, 회전 운동을 하는 요동운동 엑추레이터 및 유압모터 등이 있다. 4. 기름탱크 유압유를 저장하고 냉각 시킨다. 5. 기타 부속기기 필터, 히터 및 냉각기, 압력계, 공기청정기, 축압기 등 부속기기를 총칭한다.

2. 펌프 (Pump)

구동원(전동기, 내연기관 등) 으로 부터 공급받은 기계적 에너지를 유압에너지로 바꾸어 주는 기기를 통칭한다. 고압에서 사용되어야 하는 특성상 유압펌프는 용적형을 채용하고 있다. 유압펌프로는 내·외접 기어펌프, 베인펌프 및 피스톤펌프가 사용되고 있다. 펌프 자체에서 토출량 조절 가능 유무에 따라 정용량형 펌프와 가변용량형 유압펌프가 있다. 열의 발생을 줄이고 에너지를 절감하기 위하여 펌프자체로서 최대유량 조절 및 설정압력이 되면 토출량이 감소하는 가변 토출량형 유압펌프의 사용이 증가하고 있다.

2.1 기어펌프(Gear pump)

2.2 베인펌프(Vane pump)

베인펌프는 구조에 따라 불평형형(Unbalance) 베인펌프와 평형형(Balanced) 베인펌프가 d) 있다. 그림(aa) 는 불평형형 베인펌프의 구조이며 흡입측은 항상 부압이 작용하고 토출측은 고압이 작용하므로 압력의 불균형이 생기므로 불평형형 베인펌프라 한다. 불평형형 베인펌프는 로터와 캠링의 편심량을 압력에 따라 연동되도록 만들면 효율 높은 가변용량펌프의 제작이 가능한다.

2.3 피스톤 펌프(Piston pump)

피스톤 펌프는 전동기의 회전운동을 피스톤의 직선 왕복운동으로 바꾸고 피스톤의 펌프작용에 의해 토출량을 얻습니다. 이 펌프는 밀봉성능이 우수하여 효율이 높으며(90%이상) 350kgf/cm²이상의 고압을 얻는 것이 가능한다. 그러나 구조가 복잡하고 고가라는 단점이 있다. 그림은 가장 많이 사용하고 있는 경사판식 피스톤 펌프이다. 피스톤 펌프의 경우 경사판의 각도를 변화시킴으로써 용이하게 가변용량형으로 제작할 수 있다.

3. 구동장치

유압펌프(수동펌프제외) 는 전기모터나 내연기관에 의해 구동된다. 일반적으로 고정 유압장치에서는 전기모터로 기계적 동력을 유압펌프로 전달시켜 주며, 반면에 이동 유압장치에서는 내연기관이 주로 사용된다. 전기 모터의 축동력은 토출최고압력과 토출되는 유량에 의해 결정된다.
L = P xQ / 612η
L : 축동력 Kw , P : 최고압력 kgf/cm², Q : 토출유량 ℓ/min , η : 펌프의 전 효율
펌프의 전효율은 설정압력에 따라 다르므로 펌프의 특성표를 기준한다.

4. 저장탱크

저장탱크의 주요기능은 다음과 같습니다.

1. 유압 작동유의 저장
2. 큰 단면적에 의한 냉각
3. 공기, 물, 고체 이물질의 분리
4. 펌프, 전동기등 각종 유압부품의 설치장소

고정 유압장치에서의 저장 탱크 크기는 3~5 분 동안의 펌프 토출량을 참고치로 사용할 수 있다. 그리고 저장탱크 내에서의 파형을 잡아주기 위해서 15% 정도의 여유를 두는 것이 좋습니다. 이동 유압장치에서는 설치장소 및 무게 때문에 저장 탱크를 크게 만들 수 없으므로 별도의 냉각장치가 필요하게 된다.

5. 압력계

유·공압용 압력계의 대부분은 Bourdon관 원리를 사용한다. Bourdon관에 압력이 가해지면 반경방향으로 변형을 일으키게 된다. 이 변형이 링크, 섹터기어 및 피니언에 의해 눈금지시기를 통해 보여집니다. 서지 압력으로부터 Bourdon 관을 보호하기 위해 Damper 또는 사이폰관(Siphon tube) 를 사용해야 한다.

6. 히터 (Heater)

추운 환경에서 유압시스템의 시동을 빨리 하고자 할 때나 유압유의 점도를 최적으로 도달시킬 때, 즉 최적의 작업온도를 빨리 얻고자 할 때 히터가 사용된다. 유압유의 관리온도(저장탱크 온도를 기준) 는 다음과 같습니다.

1. 시동을 위한 최저온도 : 10℃이상
2. 권장온도 : 고정유압장치 35~55℃ 이동유압장치 45~65℃
3. 한계온도 : 80℃

온도 관리가 잘못되어 기름의 온도가 상승되면 여러 가지 문제가 발생된다. 온도의 상승으로 점도가 낮아지면 작동기의 속도가 빨라지고 유막형성이 나빠져서 습동부의 마모를 촉진하며 누설량도 증가하게 된다. 작동유의 열화를 촉진하여 작동유의 온도가 60℃이상이면 10℃증가할 때마다 수명은 반감되며 80℃정도가 되면 패킹류의 수명도 단축시키게 된다.

7. 냉각기 (Cooler)

유압시스템에서의 마찰은 유압유가 배관이나 유압부품을 통하여 흐를 때 에너지 손실의 원인이 된다. 이는 또한 유압유의 온도를 상승시키게 된다. 이때 발산된 열은 저장탱크, 배관, 유압부품 등을 통하여 외부로 발산된다.

10. 축압기 (Accumulator)

유압의 단점인 나쁜 저장성을 보완하기 위한 기기로 축압기(Accumulator) 를 사용해야 한다.
축압기는 단순한 구조로서 그 용도가 다양한데 대표적인 용도는 다음과 같습니다.

1. 에너지 저장용
   순간적인 정전 등으로 펌프가 정지했을 때 또는 기름누출 및 온도변화로 유압의 변화가 생기는 경우에 축압기에 축적된 유압을 방출시켜서 유압을 일정하게 유지시키거나, 유압기기를 동작시킬 수 있다.
   저장된 압력에너지는 펌프의 역할을 할 수 있으므로 유압 유니트를 소형으로 설계할 수 있으며, 작동기기의 속도도 증가 시킬 수 있다.
2. 충격압력의 흡수용
   유체가 흐르고 있는 회로에서 밸브를 급격히 개폐할 때 발생하는 충격압력을 흡수하여 기기, 계기, 배관 등을 보호하게 된다.
   또 압력의 급격한 상승을 억제하므로 시스템을 보호하는 역할을 한다.
3. 펌프의 맥동 제거용
   펌프에 의해 발생되는 맥동압을 제거하여 시스템 압력을 균일하게 할 수 있다.

축압기를 분류하면 다음과 같습니다. (1) 중추식(Weight loaded) 기압기 (2) 스프링식(Spring loaded) 기압기 (3) 가스충전식(Gas charged) 기압기 Diaphragm type, Bladder type, Piston type

11. 작동기(Actuator)

유압펌프에 의하여 공급되는 유체의 압력에너지를 이용하여 기계적인 에너지로 변환하는 기기를 일반적으로 작동기(Actuator) 라고 한다. 작동기는 구조와 그 기능에 따라 직선왕복운동을 하는 실린더와 요동운동을 하는 요동운동 작동기 및 회전운동을 하는 유압모터가 있다.

11.1 실린더

1. 단동실린더(Single acting cylinder)
   단동실린더는 한쪽방향으로 유압의 힘으로>움직이고 반대방향으로는 내장된 스프링이나 외력에 의하여 복귀하는 실린더가 있다.


2. 복동실린더(Double acting cylinder)
   복실린더는 양방향 유압을 작동하는 실린더를 말한다. 더스트 와이퍼(Dust wiper) 는 먼지나 이 물질이 실린더 내로 들어오는 것을 방지해줍니다. 또 쿠션 기구는 실린더의 행정 끝에서 속도를 늦추어 빠른 속도와 관성에 의한 충격을 방지한다. 양로드 실린더는 두개의 로드를 각각 다른 용도로 사용할 수 있다.

11.2 회전운동 작동기

유압모터는 유체의 압력에너지를 기계적인 회전운동으로 바꾸는 유압기이다. 일반적인 유압모터는 연속적인 회전운동을 하며 특히 제한된 각도 내에서 회전운동을 하는 것을 요동운동 작동기로 분류한다.

(1) 유압모터
유압모터는 연속적인 회전운동을 한다. 기본 구조는 유압 펌프(Pump) 와 같으나 용도 및 설계방법에서 상이한 점이 많다. 특별한 사양의 유압모터는 펌프로 사용할 수 있다. 유압모터의 특징을 요약하면 다음과 같습니다.

1. 소형이지만 강력한 힘을 낸다.
2. 저속이며, 무단 속도조절이 가능한다.
3. 과부하에 대하여 안전한다.
4. 정·역회전이 원활한다.
5. 서지 압력 및 캐비테이션 방지 대책이 필요한다.

(2) 유압모터의 종류
구조에 따라 기어 모터(Gear motor), 베인 모터(Vane motor), 피스톤 모터(Piston motor) 로 분류된다.

피스톤 모터는 구조가 복잡하지만 효율이 높고 큰 출력을 낼 수 있다. 따라서 저속 고토크의 용도에 적합하며 고압을 사용하는 건설기계에 많이 사용된다. 유압 모터의 제어에는 관성을 고려해야 하며, 유압 모터의 정지 시 관성에 의해 발생되는 높은압력을 제거해 주는 것이 브레이크 밸브이다. 브레이크 밸브는 유압모터의 정지 시 고압측 관로의 높아진 압력을 제거하여 유압기기를 보호해야 한다. 반대측 관로에서는 상대적으로 압력이 저하하므로 압력을 공급 받아야만 캐비테이션(Cavitation) 현상을 방지할 수 있다.

참고) 캐비테이션 (cavitation)
유동하고 있는 액체의 압력이 국부적으로 저하하여 ,포화 증기압 또는 기포 분리압에 도달하며 증기를 발생하거나 용해 공기 등이 분리 되어 기포를 발생하는 현상이며, 이것이 흘러서 소멸되면 국부적으로 초고압이 형성되어 소음, 진동을 발생하는 경우가 있다.

11.3 요동운동 작동기

제한된 회전각도내에서 요동운동을 하는 기기이다. 구조 및 원리에 따라 다음과 같이 분류한다.