유압 장치 / 액츄에이터 / 실린더등.....

[남일]

유압장치 및 액츄에이터

측정 시스템

Data의 획득은 토오크, 압력, 유량, 온도, 회전수, 소음에 대하여 이루어진다.

압력, 유량, 온도에 대한 Data 획득은 유압 라인상에 장착된 센서들을 이용하여 Data를 획득하여 AMP를 통해 증폭시켜 A/D 컨버터를 통하여 PC로 전달하는 구조로 이루어지며 PC에서는 그래픽 화면상에 획득된 Data를 디지털 값으로 표현하고 동시에 그래프로써 나타내고 각 단계의 합격여부를 판정하게 된다. 또한 측정된 Data량은 File로 저장되어 언제라도 Data를 받아볼 수 있도록 하였고 Print와 연결하여 출력할 수도 있도록 하였다. 이와 같은 방식은 Data를 실시간으로 받아 처리할 수 있어 고속으로 다량의 Data처리를 할 수 있는 장점이 있으며, Data의 신뢰성 역시 매우 높다.

토오크는 토오크 미터로부터 신호를 받아 그 값이 CRT 패널상에 나타나도록 되어 있으며, 회전수는 통상적인 방법인 Tacometer를 이용하여 테스트 펌프의 축 회전수를 체크하여 회전수 지시계를 통해 CRT패널상에 나타나도록 하였다.

특 징

다양한 종류의 유압펌프에 대해서 시험이 가능

각각의 성능실험 공정에서 판정항목에 대한 합격/불합격 여부 및 전 공정을 통한 종합판정

진공시스템의 도입을 통해 캐비테이션 현상을 억제시켜 실험의 정확성을 증대

고온유 공급 유니트와 2중 열교환기 시스템을 도입하여 작동유 온도를 항상 일정온도로 유지시킴

Solenoid valve의 ON/OFF Sequence control를 Personal computer에서 Program을 통해 제어

기어식 유량계를 사용하여 높은 응답의 유량계측이 가능

실시간 Data 획득 및 그래픽처리로 보다 정확하고 쉬운 분석이 가능

각종 경보시스템의 설치로 고장의 검색 및 보완을 수월하게 함

PC를 사용하여 여러 작동변수를 통합적으로 하나의 program를 통하여 제어하여 편리성도모

자동성능시험 SEQUENCE

어큐뮬레이터

어큐뮬레이터라고 하는 것은 은행과 같은 것으로 돈 대신에 유압력을 저장하는 유압기기이다. 압력 에너지를 항상 보존하고 있다가 미량의 기름이 누설되는 경우에도 압력이 저하되지 않도록 바로 압력유를 보충하거나, 충격적으로 발생하는 압력(서지압)을 흡수하기도 하고, 때로는 단시간에 펌프를 대신하는 긴급시 보조압력으로서 즉, 안전장치로서의 역할도 한다.

종류는 스프링식, 重垂하중식, 가스식 등이 있다. 重垂하중식은 다른 방식에 비해 축적된 기름이 유출되어도 그 유압력이 변화되지 않고 항상 일정한 유압력이 얻어지는 특징이 있다. 가스식은 부라더라고 불리우는 곳에 질소가스를 주입하여 가스의 팽창을 이용해서 유압력을 얻는 것으로서 이 방식의 어큐뮬레이터가 가장 많이 사용되고 있다.

유압 실린더

유압 실린더는 유압에너지를 기계적 에너지로 변환시켜서 선형운동을 하는 유압요소로서 압력과 유량을 제어하여 추력과 속도를 조절할 수 있다.

1. 단동 실린더

단동 실린더(single acting cylinder)에서는 피스톤측 면적으로만 유압이 작용하므로 부하에 대하여 한 방향으로만 일을 할 수 있게 된다.

단동 실린더의 동작원리는 유압유가 피스톤측으로 흘러 들어가면 부하로 인하여 압력이 상승하게 되고 이 압력으로 인한 힘이 부하를 이기고 피스톤을 전진 운동시키게 된다. 후진 운동시에는 피스톤 측이 방향제어 밸브를 통하여 탱크와 연결된다. 후진행정은 스프링이나 외력 또는 작은 지름의 보조 실린더에 의하여 이루어진다. 물론 이러한 힘들은 실린더, 배관, 밸브 등의 마찰력 합보다 커야만 한다. 보통 피스톤 로드의 단면적은 실린더의 1/2 이상이다.

2. 복동 실린더

복동 실린더(double acting cylinder)의 경우에는 피스톤 양측에 압력이 걸릴 수 있다. 그러므로 양쪽 방향으로 일을 할 수 있게 된다.

유압유가 피스톤측 면적으로 흘러 들어가서 피스톤에 압력을 가하게 되고 압력과 면적의 곱인 추력이 형성된다. 이 힘이 외력 및 마찰력을 극복하게 되면 피스톤 로드가 전진운동을 하게 된다. 유압 에너지가 기계적 에너지로 변경되고 그 결과가 최종 부하에 작용한다. 후진작업의 경우도 마찬가지로 작동된다. 피스톤이 전진운동을 할 경우에는 피스톤 로드측의 유압유가 탱크로 귀환되고, 후진운동할 경우에는 피스톤측의 유압유가 탱크로 귀환된다. 다음 그림은 복동 실린더의 전후진 운동을 보여준다.

유압 실린더는 실린더 통(cylinder barrel), 피스톤과 피스톤 로드, 엔드 켑(end cap), 유압유 포트(port) 및 실(seals)로 구성되어 있다.

1) 실린더 통

실린더 통을 보통 실린더라고 하며 재질로는 강관이 일반적으로 사용되나, 주물이나 합금강, 청동, 황동 등도 사용된다. 강관을 사용할 경우에는 내면의 마모나 부식을 방지하기 위하여 두께 0.05mm 정도의 경질 크롬 도금을 한다. 실린더 내면은 피스톤과의 미끄럼 면이 되므로 누유를 막기 위하여 상당한 정밀도의 다듬질을 하여야 한다. 보통 호닝(honing) 또는 연삭 다듬질을 한다.

2) 실린더 커버

실린더 커버 형식에는 여러 가지가 있는데 다음 그림의 볼트 연결은 실린더 벽에 나선을 내어 커버를 볼터로 고정시킨 것이다.

이 방법은 실린더의 외관은 좋으나 실린더 벽 두께가 두꺼워져 긴 유압 실린더의 경우에는 재료비가 높아지는 단점이 있다. 타이로드(tie rod)를 사용하는 방법은 가장 일반적인 제작 방법이다. 고압 실린더에 타이 로드법을 사용하면 신장이 크므로 차폐 방법을 이것에 맞추어 특별히 고려하지 않으면 안된다. 그 밖에도 용접 이용 방법과 와이어 루프(wire-loop) 결합 방법 등이 있다.

3) 피스톤

실린더의 내면과 접촉되는 피스톤 부위는 원활하게 운동할 수 있는 재료를 사용하여 실린더 내면에 흠이 생기지 않도록 하여야 하며, 압력, 굽힘, 진동 등의 하중에 견디도록 설계되어야 한다. 더욱이 피스톤 외주부의 미끄럼 부분은 횡압(최대 추력의 1/200)과 피스톤 자중에 견딜 수 있는 면적을 가져야 한다. 또 피스톤과 로드의 연결부는 누유가 되지 않도록 밀봉을 유의하여야 한다.

피스톤 패킹에는 V 패킹, U 패킹, 컵 실(cup seal), 오링(O-ring), 피스톤 링 등이 사용된다. 패킹의 형상과 재질의 선택에는 유압유의 종류, 온도, 속도, 압력 등을 고려하여 검토할 필요가 있다.

피스톤의 평균속도는 특별한 지정이 없으면 30 - 200 mm/sec 정도로 제한하는 것이 좋다. 일반적으로 압력이 높아짐에 따라 패킹의 밀착압력이 커져 저항이 증대되어 열의 발생, 패킹의 마모가 심해지므로 주의를 요한다.

4) 피스톤 로드

피스톤 로드 재료는 인장력 65 kgf/cm2 이상의 재료를 사용하여 압축, 굽힘, 진동등의 하중에 견디어야 하고 마모, 부식에 대하여도 충분히 견뎌야 한다. 특히 피스톤 로드 외면은 요동에 따르는 흠이나 녹을 막기 위하여 경질 크롬 도금 또는 이것에 상당하는 표면처리가 요망된다.

3. 복동 실린더의 종류와 사용처

복동 실린더에는 일반적인 복동 실린더 이외에 다음 표와 같은 여러 종류의 복동 실린더가 있다.

그리고 복동 실린더의 대표적인 사용처와 사용부위는 다음 표와 같다.

공작기계	핸들링 장치 및 호이스트	이동장치	항공장치	조선
공구 및 작업대상 물의 이송운동 클램핑 장치 절삭운동 관련 기계 충결 테스트 기계 브로우칭 기계 프레스 프린팅 기계 인젝션 몰딩 기계	틸팅(tilting) 리프팅 선회운동 포크 리프터 트럭 등	굴삭기 파우어 로더 트랙터 포크 리프터 트럭 등	랜딩기어 비행기 날개운동	방향타 조정 프로펠러 조정

4. 실린더 쿠션

쿠션(cushion)이 내장된 실린더는 큰 부하가 매달려 있거나 피스톤의 속도가 빠를 때 전후진 완료위치에서의 큰 충격을 방지하기 위한 것이다. 쿠션은 실린더의 속도가 6m/min(10cm/sec)이하일 때는 필요치 않으나 실린더 속도가 6-20m/min(10-33.3 cm/sec)의 경우에는 브레이크 밸브나 교축요소를 통하여 쿠션을 줄 수 있다.

속도가 20m/min(33.3cm/sec) 이상인 경우에는 특별한 쿠션이나 브레이크 장치가 필요하게 된다. 피스톤이 전후진 완료위치에 다가서면 정상적으로 복귀되던 유량이 일부만 복귀되고 일부는 압력 릴리프 밸브를 통하여 탱크로 귀환된다. 이러한 방법으로 피스톤 속도가 감소되어 고속으로 인한 충격 위험을 방지하게 된다. 쿠션은 전진위치, 후진위치, 또는 전후진 위치에 각각 설치될 수 있다. 한가지 분명한 것은 쿠션이 작용하려면 반드시 압력 릴리프 밸브가 사용되어 유량이 나누어져야 한다는 것이다. 실린더에는 전후진 위치에 모두 쿠션 기능을 갖춘 실린더도 잇는데 이 실린더는 전후진시에 모드 갑작스러운 충격을 방지할 수 있다.

기름 탱크

1. 기 능

1) 유압유의 저장

유압회로내의 작동유를 저장한다.

2) 열의 발산

유압 시스템에서 동력 손실은 열로 변환되어 유압유의 온도를 높이게 되고 이 유압유는 기름 탱크로 복귀하게 된다. 기름 탱크는 탱크 벽을 통해 열을 발산시키므로 충분한 크기의 용량이 필요하고 탱크 설치장소도 잘 선정하여야 하며, 제쟝기 따르면 냉각 시스템을 설치하여야 한다.

3) 공기의 제거

기포는 유압 시스템에서 소음발생과 기기 손상을 가져오고 특히, 펌프에서는 캐비테이션 현상을 일으키며 유압유의 압축성을 증가시킨다. 기름 탱크의 표면은 공기 분리 효과를 증대시켜 주며, 유압유가 탱크에 오래 머물수록 공기 분리 효과는 더욱 커진다.

4) 오염물질의 침전

시간이 지남에 따라 만들어지는 생성물과 극히 미세한 오염 입자는 필터로 제거되지 않는다. 따라서 이러한 이물질은 기름탱크에서 침전시켜 한 곳으로 모이게 해야한다. 이를 위하여 기름 탱크의 바닥은 경사지게 만든다.

5) 응축수의 제거

외부와 기름 탱크 내부의 온도차이로 수분이 응축되어 유압유에 섞이게 된다. 물은 유화되거나 바닥에 고이게 되는데 이를 주기적으로 제거해 주어야 한다. 이러한 응축수의 제거를 위하여 기름 탱크에는 드레인 탭이 설계되어 있다.

6) 펌프, 모터, 밸브의 설치장소 제공

펌프, 모터, 밸브의 설치장소를 제공하기 위하여 튼튼하게 만들어져야 하며 소음감소 역할도 한다.

2. 크기와 모양

기름탱크의 크기는 열의 발산, 공기 분리를 위해서 크면 클수록 좋지만 설치장소, 유압유의 비용, 이동성 등에 따라서 크기의 제약을 받는다. 기본적으로 유압 시스템 내의 유압유가 전부 기름 탱크 안에 모이더라도 넘쳐흐르지 않을 정도의 충분한 크기여야 한다. 탱크의 이상적인 크기는 유압유가 시스템 내에 모두 차있는 상태에서 고정식 유압의 경우 그 장치가 필요로 하는 매분 펌프 토출량의 3-5배 정도로 하고 이동식 유압의 경우는 1배 정도로 한다. 그리고 유압유 체적의 10-15%를 크게 하여 공기 쿠션장치를 제공하도록 한다. 다음표는 탱크의 표준 용량의 예를 보여준다.

탱크 용량	펌프 용량
30 ℓ (8 gal)	1/2 ℓ/min (0.32 G.P.M) 2.5 ℓ/min (0.66 G.P.M) 5.4 ℓ/min (1.42 G.P.M)
75ℓ (20 gal)	7.3 ℓ/min (1.9 G.P.M) 9.5 ℓ/min (2.5 G.P.M) 18.0 ℓ/min (4.7 G.P.M) 28.0 ℓ/min (7.5 G.P.M)
150ℓ (40 gal)	39.0 ℓ/min (10.3 G.P.M) 50.0 ℓ/min (13.2 G.P.M)
260ℓ (70 gal)	65.0 ℓ/min (17.1 G.P.M) 80.0 ℓ/min (20.8 G.P.M) 105.0 ℓ/min (27.7 G.P.M) 125 ℓ/min (33.5 G.P.M)
378 ℓ (100 gal)	135.0 ℓ/min (36.5 G.P.M) 170.0 ℓ/min (44.0 G.P.M) 210.0 ℓ/min (55.0 G.P.M)

기름 탱크의 모양은 열의 대류와 발산을 위해서는 바닥 면적이 좁고 키가 큰 형태가 바람직하지만 공기분리 효과 및 펌프, 구동장치의 설치장소 측면에서는 바닥 면적이 큰 형태가 유리하다. 따라서 어느 형태가 좋다고 결정할 수 없지만 이동형 유압시스템의 경우에는 유압유가 이리저리 쏠리므로 키가 큰 형태를 취하고 고정식 유압시스템의 경우에는 면적이 어느 정도 큰 형태의 모양을 취하게 된다.

3. 구 조

기름 탱크는 다음과 같이 여러 가지의 장치로 구성된다.

1) 흡입관 및 복귀관

유압유의 효과적인 순환을 위해서는 흡입관과 복귀관은 가능한한 멀리 떨어져 있어야 한다. 두 관의 출입구는 모두 공히 유면 밑에 위치해야 하고 관끝은 기름 탱크의 바닥으로부터 관경의 2-3배 이상 떨어져야 이 물질의 혼입이나 이 물질이 바닥에서 일어남을 방지할 수 있다. 관끝은 저항을 작게 하기 위하여 45° 정도로 절취하고 반대편으로 향하게 한다. 관내의 유속은 1-2 m/sec로 잡는다.

2) 분리판(baffle plate)과 공기분리기(air separator)

유압시스템에서 돌아오는 유압유와 펌프 흡입구로 흘러가는 유압유를 분리시켜 유압유가 펌프의 벽을 따라 흐르도록 하여 유압유에 혼입되어 있는 물이나 기포가 분리될 수 있게 한다. 분리판은 유압유의 냉각효과를 증진시키며 유압유가 머무르는 시간을 지연시켜 이 물질의 제거를 돕는다. 공기 분리장치는 0.5mm 직경의 매쉬 스크린(mesh screen)이다.

3) 드레인(bottom drain)

탱크 내에 머물러 있는 물이나 침전물을 제거하기 위하여 탱크 바닥에는 적당한 경사를 주고 가장 낮은 곳에 드레인을 설치한다. 드레인 할 때는 용기를 넣어 받아 낼 수 있을 정도의 공간의 필요하므로 탱크 바닥과 지면사이에 150mm 정도의 여유를 두는 것이 좋다. 때때로 드레인 스크류에는 자석 막대가 달려 있어 금속 부스러기를 제거한다.

4) 유면계(oil level gauge)

유압시스템 운전 중에도 유면의 최고, 최저 위치를 직접 확인할 수 있게 하여 작동시 적합한 유면을 유지하도록 한다. 유압유의 양은 외부에서 확인할 수 있어야 한다.

5) 공기 필터(breather air filter)

기름 탱크의 유면은 유압시스템의 실린더가 동작할 때마다 올라갔다 내려왔다 하므로 유면 위에 항상 대기압이 작용할 수 있도록 통기구멍이 필요하고 통기 구멍에는 공기 필터를 부착하여야 하는데 여과입도는 5-60㎛ 정도이다.

6) 주유구(filter spout)

유압유를 주유할 때 유압유의 오염을 방지하기 위하여 스트레이너(strainer)를 거치도록 한다.

7) 청소용 측판(clean-out cover)

탱크 속을 청소할 때 손이 들어갈 수 있도록 가급적 큰 측판을 손쉽게 떼었다 붙였다 할 수 있도록 제작하여 청소를 하거나 스트레이너를 쉽게 교체할 수 있게 한다.

8) 탱크 커버(tank cover)

탱크 커버의 설계는 그 위에 무엇이 설치될 것인가에 따라 달라진다. 예를 들어 펌프가 탱크 안에 설치되는 경우에는 커버는 제거될 수 있어야 한다. 구동장치가 설치 될 경우에는 커버에 소음 생성을 제한하기 위하여 진동방지 요소를 설치해야 한다. 보수 유지 측면에서 복귀관은 탱크 커버에 설치되는 것이 좋다. 먼지나 높은 습도의 환경, 이동식 유압장치에서는 오염방지 목적으로 밀폐된 기름탱크가 사용될 수 있는데 이때에는 환기가 불필요하다. 이러한 경우에는 질소가스로 충진된 신축성있는 블래더(bladder)가 탱크내에 설치되어 있어 과압(overpressure)을 걸어 캐비테이션을 방지한다.

냉각장치

유압시스템에서의 마찰은 유압유가 배관이나 유압부품을 통하여 흐를 때 에너지 손실의 원인이 되고 유압유의 온도를 상승시키게 된다. 열은 저장탱크, 배관, 유압부품 등을 통하여 외부로 발산된다. 유압시스템에서의 작업온도는 50 - 60℃ 이상을 초과하지 않도록 한다. 온도가 너무 높으면 유압유의 점도가 너무 떨어지게 되고 산화 현상을 가속시키며 실린의 내구수명을 단축시킨다. 이는 결과적으로 작업의 정밀도를 떨어뜨리고 누설을 증가시키며 유압유의 성질을 변화시키므로 유압유의 온도는 항상 일정하게 유지되어야 한다. 유압시스템 자체의 냉각기능이 떨어지면 냉각장치(cooler)를 가동시켜 일정범위 내로 유압유의 온도를 유지시켜 주어야 하는데, 냉각장치는 온도 조절장치에 의하여 작동된다. 냉각장치에는 수냉식과 공냉식이 있는데 공냉식은 온도 차이가 25℃까지, 수냉식은 온도차이가 35℃까지 일 때 사용하고, 많은 양의 열을 분산시킬 때에는 팬 쿨러(fan cooler)를 사용한다. 수냉식 냉각기는 통속에 여러 개의 관을 묶어서 넣고 관속에는 냉각수가 흐르고 관 주위에는 유압유가 흘러 지나가면서 냉각된다. 냉각관의 주위에는 배플(baffle)을 설치하여 유압유의 유로를 복잡하게 함으로서 냉각효과를 높여준다. 냉각기는 유압회로중에서 압력이 낮은 쪽에 설치하는 것이 좋으며 발열원 가까운 쪽에 설치하는 것이 좋다. 유온을 조절하고자 할 경우에는 냉각수 유입관의 유온에 따라 냉각수의 양이 조절되게 하는 온도 조절용 서머스텃(thermastat) 장치를 설치하기도 한다. 공냉식 냉각기는 유압유가 흐르는 관 주위에 핀을 붙이고 그 사이를 공기가 통과하도록 팬을 돌려서 냉각하는 방식으로 물을 이용하기가 곤란한 경우에 사용된다. 대부분의 팬을 전기모터로 구동되나 간편 설계를 위하여 펌프 축에 커플링을 이용하여 팬을 설치하기도 한다. 수냉식 냉각기와 공냉식 냉각기를 비교하면 다음 표와 같다.

구 분	공냉식 냉각기	수냉식 냉각기
설 명	팬에 의해 식혀진 유압유는 배관을 통하여 복귀관으로 돌아간다.	냉각수에 의해서 유압유가 식혀진다.
장 점	운전비용이 적다. 설치가 쉽다.	대용량의 냉각작용이 가능하다. 소음이 작다.
단 점	소음이 크다. 운전비용이 비싸다.	냉각수의 오염 및 부식발생 위험이 있다.