유압의 필요성
유압시스템은 유체역학의 기본적인 이론을 바탕으로 해서 응용한 분야로서, 국내에서도 1980년대 초반부터 국가 산업의 도약기에 공장자동화가 도입되기 시작했을 때, 이전의 각종 산업기계의 자동화 개념이 없었거나 있었어도 기계 기구적인 설계에 의해서 링크와 캠의 조합으로 간단하고 초보적인 수준의 간이 자동화기계를 이요했으나, 점점 산업이 발전하면서 대량생산 체제와 양질의 표준화된 생산제품, 생산원가 절감, 인력의 절감이라는 문제가 대두되면서 절실히 요구되던 것이 바로 자동화개념이 도입된 자동화기계였다. 자동화기계를 개발하려면 자동화기술을 이루는 가장 핵심적인 부분이 바로 유공압기술인데, 우리나라의 초창기에는 유압기기나 공압기기를 제조하는 업체가 없었기 때문에 전량 수입에 의존해야만 했다. 게다가 유공압기술 분야에 대한 이론을 배경으로 하는 자동화기계 인력이 없어서 이 분야에 대한 시행착오가 많이 발생했었다. 오늘날에는 산업기계 전 분야에서 생산자동화, 가공자동화, 조립자동화, 포장자동화, 로봇자동화, 운반자동화, 물류자동화 등 유공압기술을 이용한 분야의 자동화기계는 해를 거듭할수록 발전하고 있으며 기타 각종 운송장비나 중장비 분야에서도 다양하게 이용되고 있다. 따라서 유공압기술의 활용도는 점점 더 높아질것으로 보인다. 특히 기계분야를 전공한 실무자들은 무엇보다도 유공압기술 분야에 좀 더 관심을 가져야 할 것으로 보인다.
유압이란 무엇인가
유압은 앞에서도 말한 바와 같이 유체역학의 이론에서 유체의 성질 중에서 압축성과 비압축성의 특성중에서 기름이라는 비압축성 유체의 특징을 적절하게 응용한 기술이다. 유압에서는 대단히 높은 고압을 생산할 수 있기 때문에, 실제로 산업용에서 사용되는 대부분의 유압기계류는 고출력을 필요로 하는 제품을 생산하는 작업용으로 주로 많이 사용되고 있다. 유압 작동유는 비압축성 유체로서 이 유체의 압축이 잘 되지 않는 이유는 용적의 변화가 없기 때문에 압력의 전달에서 유압펌프를 이용해서 고압내지는 초고압을 발생할 수 있으므로, 이를 기계에 부착해서 실제로 작업을 수행하는 액츄에이터(Actuator)인 유압실린더(Hydraulic cylinder) 또는 유압모터(Hydraulic motor)에 고압의 유압이 전달되면 고출력이 발생하게 되어 높은 고출력을 발생시킬 수 있다. 비압축성의 유체인 유압 작동유를 이용해서 외부에서 낮은 출력을 가하면, 반대측의 무거운 부하를 움직이게 하는 기본 원리는 출력은 면적에 압력을 곱하면 되는 것이며, 이를 이용하는 것이 유압의 기초이다. 또한 외부에서 낮은 출력으로 외력을 가했을 때의 작업이동 행정은 길어지지만, 반대측에서는 고출력을 얻는 대신에 작업이동 행정은 짧아지게 된다. 유압을 이용한 자동화 기계에서 사용되는 압력의 구분은 일반적으로 저압, 중압, 고압, 초고압으로 세분된다.
저압 : 7 MPa (70kg/㎠)
중압 : 15 MPa (140kg/㎠)
고압 : 21 MPa (210kg/㎠)
초고압 : 31.5 MPa (315kg/㎠) ~ 35 MPa (350kg/㎠)
실제로 대부분의 유압기기 제조업체들의 일반적인 표준 유압기기는 최고사용압력 조건이 고압에 사용될 수 있도록 출고되고 있으며, 현재 자동화 유압기계에 사용되는 유압기기는 대부분 이에 속한다. 초고압 유압기기는 주로 대형 유압기계에 적용되며, 초고압기기의 제조업체가 전 세계적으로 많이 있는 편이 아니라서 부품의 조달이나 호환에는 불편한 점이 있다.
유압의 장점과 단점
유압의 장점
- 액츄에이터(유압실린더 또는 유압모터)가 소형이어도 출력은 크다
- 출력의 조정이 간단하고 원격제어도 가능하다
- 액츄에이터 전진과 후진동작 또는 정회전과 역회전의 방향전환이 용이하다
- 액튜에이터 속도의 조절이 무단제어가 가능하다
- 자동제어(릴레이 제어회로 또는 PLC제어회로)가 용이하다
- 공압장치의 출력에 비해서 유압출력은 비교가 안될 만큼 크다
유압의 단점
- 고속 동작이 어렵다
- 유압펌프 및 유압밸브의 효율이 나빠서 에너지 손실이 크다
- 유압배관의 방법에 딸 에너지 손실이 클 수도 있다
- 유온이 상승하면 점도의 변화에 따라 출력부의 출력 지연현상이 생긴다
- 유온이 상승하면 점도의 변화에 따라 출력부의 속도제어가 불가능해질수 있다
- 유온이 상승하면 점도의 변화에 따라 출력부의 누유가 생긴다
- 일반 유압작동유를 사용할 경우 조건에 따라서 계절별로 점도를 구분해서 사용하지 않으면 경우에 따라서는 유압기기의 파손이 발생할 수도 있다.
단위와 명칭
유압장치의 설계시 각종 계산식에 적용한느 단위와 명칭은 다양하게 사용되며 이를 잘 활용할 수 있어야만 원활한 유압 게산의 결과를 산출해 낼 수 있다. 국내에서 각종 공학단위는 미터법에 의한 것을 주로 사용해 왔으나 이미 오래전부투 국제단위계(SI단위계)에 의한 단위를 사용하도록 권장하고 있다. 그러나 현재는 유압 제조업체에서 제공되는 기술자료에는 SI단위로 표시되기 때문에 반드시 SI단위로 사용해야 한다.
| 구분 | 미터법 | SI 단위계 |
| 출력 | kgf, ton | N |
| 압력 | kgf/cm2, bar | MPa |
유압장치 설계시 필요한 각종 계산식
펌프구동용 전동모터의 소요출력 계산식
L = (P × Q) / 612 (KW) = (P × Q) / 450 (HP)
여기서 P : 압력 (kgf/㎠), Q : 유량(L/min) , 1 KW = 102 kgf·m/sec , 1 HP = 75 kgf·m/sec
유압실린더의 이론 출력 계산식
F = A × P (N , kgf)
여기서 F = 실린더의 이론출력 , P = 단위 면적 당 작용하는 힘 , A = 실린더 내경의 단위면적
유압실린더의 소요유량 계산식
Q = A × V (L/min)
여기서 Q = 단위시간당 흐르는 유압유의 양, A = 실린더 내경의 단위면적, V = 실린더의 속도
유압장치(Hydraulic Power Unit)에 대하여
유압장치는 크게 분류하면 유압회로 설계에 의해서 전동모터의 회전력으로 유압펌프를 회전시키면, 유압펌프의 흡입구를 통해서 기름탱크에서 유압작동유를 흡입해서 유압펌프의 출구를 통해 고압의 유압작동유가 토출되면, 유압을 사용 가능하게 하는 압력원을 생산하게 되는 부분과, 이 유압원을 이용해서 유압장치의 제어부, 출력부로 구성된다.
유압장치의 구성기기 분류
- 오일탱크 : 유압유, 필터, 압력계, 유온계, 유면계, 오일쿨러, 히터, 마그넷
- 유압펌프 : 기어펌프, 베인펌프, 피스톤펌프
- 밸브 : 압력제어밸브, 방향제어밸브, 유량제어밸브
- 액츄에이터 : 실린더, 모터, 로터리 액츄에이터
- 배관재 : 고압고무호스, 탄소강파이프, 배관니플
- 부속기기 : 어큐뮬레이터(축압기), 스트레이너, 리턴라인필터, 압려계, 유면계, 에어브리더, 마그넷
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