유압 실린더(1)

실린더는 펌프에서 보낸 유체에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 유압기기로서 전진 및 후진의 직선왕복을 한다. 

 실린더의 출력(F)은 부하압력(P)와 실린더의 수압면적(A)에 의하여 구한다.

 

F = A × P (N)

여기서 F : 출력(힘)  (kgf, ton, N)

P : 압력 (kg/㎠, MPa)

A : 실린더 내경의 단면적 (㎠)

 

 이 출력(F)은 스트로크의 개시점에서부터 끝날때까지 일정하다. 실린더의 움직인느 속도(V)는 단위시간내의 유압유의 유입량(Q)와 실린더의 수압면적(A)에 의하여 결정된다.

 

Q = A × V (L/min)

 

 요동모터는 펌프로부터 보내어진 유체에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 기기로 실린더, 유압모터와 똑같지만 출력측이 90˚~270˚ 정도의 제한된 회전각도 만큼만 회전할 수 있는 액튜에이터이다.

 

종류와 특징

단동 실린더(램형) (Single Acting Cylinder) (Ram Type)

A포트로 유입된 유압유는 피스톤을 우측으로 이동시키고 램(Ram)을 후진 시키려면 외부의 힘이 필요하다.

 

단동 실린더(스프링 부착)

유압력에 의하여 전진한 피스톤은 스프링힘에 의하여 후진, 원래의 위치로 돌아온다.

 

복동 실린더(편로드형)(Double Acting Cylinder)(Single Rod Type)

A포트로 들어오는 유압유로 피스톤은 전진하고, B포트로 들어오는 유압유로 피스톤은 후진한다.

 실린더 출력(F)은 전 후진에 따라 다르다.

 -헤드측 수압면적 : 피스톤의 좌측 전면적

 -로드측 수압면적 : 피스톤의 로드면적을 뺀 면적

 

따라서 압력이 같으면 전진력은 후진력보다 크며 유입 유량이 같으면 전진시 속도는 후진시 속도보다 느리다.

 

복동 실린더(양로드형)(Double Acting Cylinder)(Double Rod Type)

같은 지름의 피스톤로드가 양측에 있으므로 수압면적은 양측이 똑같으며 압력 및 유량이 같으면 출력과 속도도 양측이 똑같다.

 

텔레스코프 실린더(Telescope Cylinder)

부착해야할 공간이 작고 큰 스트로크가 필요한 경우에 사용되는 실린더이다. A포트로 압유가 공급되면 2개의 실린더는 순차로 전진하지만 수압면적이 큰 피스톤부터 움직인다.

이 때문에 부하와 공급유량이 똑같아도 어느 피스톤이 움직이고 있는가에 따라 발생압력과 속도는 다르다.

이 실린더의 종류도 단동형과 복동형으로 구분되어 사용되고 있다.

 

복동 실린더의 종류

타이 로드식 유압 실린더(Tie Rod Type Hydraulic Cylinder)

이 실린더에는 타이로드 볼트(4개)에 의하여 캡커버와 헤드커버를 실린더 튜브에 고정하고 있는 형식을 말한다.

실린더는 피스톤, 부싱으로 구성되어 있으며, 피스톤의 헤드측과 로드측 사이의 기름의 누설을 방지하기 위하여 피스톤 패킹이,  또 피스톤 로드와 부시와의 사이에는 외부로의 기름누설을 방지하기 위해 로드 패킹이 장착되어 있다.

패킹의 재질과 이것과 접촉하는 실린더 튜브와 피스톤 로드 부분의 면조도에 의하여 실린더의 최저 및 최고속도가 결정된다.

최저속도는 스틱슬립 현상이라든가, 일정속도가 얻어지지 않게 되는 한계로 정해지고 일반적으로 10mm/sec  이하이다.

최고속도는 패킹의 내구성으로 결정되며, 일반적으로 300mm/sec 이다. 규격 제품으로 시판되고 있는 실런더의 사양은 다음과 같다.

 

-정격압력 : 3.5, 7, 14, 21MPa

-실린더내경 : 40~250mm

 

밀형 실린더(Mill Type Hydraulic Cylinder)

밀형 실린더는 실린더 튜브가 헤드 커버 및 로드 커버에 용접식 또는 나사식으로 부착되어 있다. 밀형 실린더는 최고사용압력이 35MPa(350kgf/㎠)의 고압용으로 설계된 제품이다.

 

지지형식(부착방법)

실린더의 부착방법은 피스톤 로드의 좌굴강도의 관계로부터 스트로크의 길이를 정할 때 문제가 된다. 따라서 전진에 사용한다든지 후진에 사용한다든지, 사용상이나 설계상 좌굴강도를 고려할 필요가 있다. 

 

클레비스형(CA형)(Clevis Type)

로드 선단부는 핀 조인트를 사용하고 상대물이 일정 거리만큼 이동해도 문제가 없도록 되어 있다. 구면 베어링은 로드아이(Rod eye)형으로 되어 있으며, 상대물이 일정 거리만큼 이동하든가 또는 각도 일정량만큼 경사되어도 문제가 안 된다.

 

헤드측 플랜지형(FA형) (Head Side Flange Type)

수직방향의 하중에 대하여 가장 안정된 부착 방법이다. 피스톤 로드의 좌굴강도에 대해서는 유리하므로 로드경이 같으면 허용 스트로크량은 가장 크게 된다. 어느 경우에도 실린더 출력에 대해서 부착용 볼트에는 하중이 걸리지 않도록 고려하는 것이 좋다.

 

캡측 플랜지형(FB형) (Cap Side Flange Type)

전진과 후진방향에 대해 어느 경우의 부하가 더 큰가에 따라 부착방법을 고려한다.

 

중간 트러니온형(TC형)(Center Trunnion Type)

앞서 기술한 CA형과 같은 상대방이 실린더의 중심에 대하여 직각 방향으로 움직이는 경우에 사용한다. 트러니온의 축심을 중심으로 실린더는 일정부분의 각도만큼 회전한다.

 

푸트형(LA형, LB형)(Foot Type)

부착부위에는 토크 T = F × l이 생기므로 부착볼트의 하중을 경감 시키기 위하여 부하의 방향에 따라서 스토퍼는 반드시 설차하면 좋다.

 

피스톤 로드의 좌굴

좌굴강도에 관한 계산에는 통상 다음과 같은 오일러의 공식을 사용한다.

 

K = (n · π^2 · E · I) / L^2  (kgf)

 

윗 식에서 K : 좌굴하중(kgf) , n : 지지형식에 따라 결정되는 단말계수, E : 탄성계수, I : 로드 횡단면의 최소단면 2차 모멘트 , L : 로드길이(cm)

 

이 식은 좌굴하중(K)으로 로드가 좌굴해 버리는 의미이므로 다음식을 이용하여 최대작동하중을 구한다.

 

F = K/S (kgf)

 

여기서 F : 최대작동하중(kgf) , S : 안전계수(약 2.5~3.5)

 

실제 사용할 때에는 실린더 튜브에 대한 보강이 고려되어 있으나, 앞의 식은 이 기대치는 들어있지 않다.

 

일반적으로 좌굴이 발생하지 않는 최대 스트로크를 구하기 위하여 앞의 계산식을 사용하여 결과값을 구하면, 많은 수고가 필요하므로 그래프에서 간단하게 결과값을 구할 수가 있다. 

 

쿠션 기구(Cushion Equipment)

유압실린더가 빠른 속도로 이동하고 있는 경우 피스톤이 최종단까지 이동하여 실린더 커버에 부딪혀서 급히 정지하면 쇼크가 발생한다.

 이 쇼크가 작더라도 더욱 작게 하기 위하여 쿠션기구를 붙여 정지하기 전에 느린 속도로 동작하게 하는 것이 쿠션 기구이다.

 공작 기계를 비롯해 일반 산업 기계의 자동화 분야에 폭넓게 이용하기 위해선느 표준 유압 실린더에는 쿠션 링을 반드시 피스톤 앞쪽과 뒤쪽에 장착이 되어 있으며, 캡 커버(Cap Cover)와 헤드 커버(Head Cover)에는 쿠션 조정 밸브가 장착되어야 하는 것이 기본이다.

 실런더의 속도는 정확하게는 2단 속도 변화로 되며, 쿠션 기구에서는 급격하게 압력이 발생하지만 완전하게 쇼크를 없애는 것은 불가능하다.