[일반기계기사] 유압기기 정리 (전반부)

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1장. 유압기기의 일반사항

- 유압기기의 작동원리: 파스칼의 원리

- 유압장치구성: 유압발생부 (유압탱크, 유압펌프), 유압제어부 (유압밸브), 유압구동부 (액츄에이터)

*부속기기: 축압기 (accumulator), 냉각기, 오일탱크, 스트레이너

- 장점: 정확한 위치제어, 에너지원 축적가능, 힘과 속도 조절 가능 / 단점: 온도 영향 받음, 불안정함

- 토크컨버터: 유체에 의해 동력 전달 및 변속 (오일유속) -> 과부하로부터 안전 (펌프, 터빈, 정지스테이터) -> 안전장치 용이함 

- 쇼크업쇼버: 점성으로 운동에너지 흡수하는 완충장치  

 

2장. 유압작동유

- 석유계 작동유: 터빈유, 고점도지수유압유로 동관 (오일 산화 촉진) 사용 시 카드뮴이나 니켈 도금

- 난연성 작동유: 합성계 (인산에스테르, 염화수소, 탄화수소) / 수성계 (물-글리콜, 유화=유중수형,유중수형)

인산에스테르계 합성 유압유: 점도지수가 낮고 비중이 가장 큼 -> 저온에서 캐비테이션 발생 

- 유압작동유 구비조건: 인화점과 발화점 높음, 비압축성이 높음 (체적탄성계수 높음), 소포성 높음=공기용해도 낮음 (캐비테이션 방지), 산화안정성 (방청성 높음, 부식방지), 항유화성, 방열성 (점도지수 높음), 비등점 높음, 유동점 낮음 (동결방지), 포화증기압 낮음 (캐비테이션 방지)

*비압축성 유체: 정확한 위치 및 속도 제어가 가능함, 체적탄성계수: 압력 일정 시, 밀도의 변형이 작을수록 작동유로 적당

방청제: 유기산에스테르, 지방산 염, 유기인화합물 / 소포제: 실리콘유 

점도가 높을 때: 내부마찰 증가, 유동저항 증가, 압력손실 증가, 온도 상승, 동력손실, 공동현상 -> 마모랑 관련성 낮음 

점도가 낮을 때: 압력유지 곤란, 내부오일누설, 작동유 과열, 용적효율 감소, *기기마모 (윤활이 제대로 이루어지지 않음) -> 기계효율과 관련성 낮음

*점도가 부적절하면 작동유는 과열됨

- 공동현상: 압력의 국부적 저하로 포화증기압에 달하여 증기를 발생, 기포가 터지면 국부 고압으로 소음 발생

공동현상 방지책: 기름의 점도는 800ct를 넘지 않기, 흡입구 양정 1m 이하, 규정속도는 3.5m/s 이하  

- 작동유에 공기 혼합 시: 공동현상, 열화 촉진, 산화 촉진, 압축성 증대

- 작동유에 수분 혼입 시: 공동현상, 열화 촉진, 산화 촉진, 방청성 저하, 마모촉진 

- 점도지수가 크다: 온도에 따른 점성의 변화가 작다 (VI=0과 100인 기준유의 100F에서 동점성 측정)  

- 필터의 여과입도가 높으면 흡입능력이 떨어져 압력강하 증가 -> 증기압보다 낮아지면 공동현상 발생

* 유압작동유의 첨가제: 산화방지제, 방청제, 소포제, 유성향상제, 유동점강하제, 점도지수향상제

 

3장. 유압펌프

- 용적형 펌프: 토출량이 일정 (중고압)

회전 펌프 (왕복식펌프) - 기어 펌프 (치차펌프), 베인 펌프, 스크류 펌프 (나사펌프) / 피스톤 펌프 / 특수 펌프 (다단, 복합)

- 비용적형 펌프: 토출량이 일정하지 않음 (저압, 대량)

원심 펌프, 축류 펌프, 혼류 펌프 

- 기어 펌프 (치차 펌프): 흡입구축 진공으로 흡입능력이 크다, 역회전 불가능, 가변토출량 불가능, 맥동이 적음 (소음 적음)

내접식과 외접식으로 나뉨

폐입현상: 흡입측이나 토출측에 통하지 않는 상태의 용적이 생기는 현상, 오일 중 녹아있던 공기가 분리되어 기포가 발생하여 불규칙한 맥동의 원인으로 축동력의 증대 -> 토출구에 릴리프홈 (고압 완화), 높은 압력의 기름 사용

공동현상: 회전수가 증가함에 따라 어떤 회전수 이상에서는 토출량이 변화 없는 상태로 오일의 점도가 클 때 빨리 발생함 (압력강하가 높음 -> 증기압보다 낮아지는 압력이 빨라짐), 원인으로는 기어 이 사이에 불충분한 오일, 이의 물림이 끝나는 부분의 진공으로 주로 치차의 백래시 (이의 틈새)와 관련있음 

- 베인 펌프: 토출압의 맥동이 적음 (소음적음), 압력저하가 적어서 수명이 김, 단위무게당 용량이 커 형상치수가 작음, 부품수가 많음, 작동유의 점도 제한 있음, 압력저하량과 기동토크가 작음 (급속시동 가능), 카트리지 방식으로 보수가 용이 

정용량형과 가변용량형으로 나뉨 + 포트, 로터, 베인, 캠링으로 구성됨 

가변용량형: 비평형구조로 로터와 링의 편심량을 바꿈으로 토출량 변동으로 효율을 증가, 오일의 온도상승이 억제 가능하나 비평형으로 수명이 짧고 소음이 많음 

- (회전) 피스톤 펌프: 전체효율이 가장 높음, 대용량이며 토출압력이 최대 (송출압: 210 kg/cm2), 가변용량, 소음이 큼  

엑셀 (고속 가능, 소형)과 라디얼 (최대속도가 낮음, 용적효율이 높음, 대용량, 최대압력)로 나뉨, 엑셀과 라디얼 모두 회전피스톤 펌프임

- 펌프의 전효율 ($\eta$)

$\eta = \frac{펌프동력(L_P)}{축동력(L_s)} = \eta_v \times \eta_h \times \eta_m, \quad L_p: 펌프동력, L_s: 축동력, \eta_v : 체적효율, \eta_h : 수력효율=압력효율, \eta_m : 기계효율 (=\eta_t : 토크효율)$

$L_p=PQ (N\cdot m/s)=\frac{PQ}{735} (PS)$

$\eta_v = \frac{실제펌프토출량(Q)}{이론펌프토출량(Q_{th})}, 누적손실=Q_{th}-Q$,

$\eta_p = \frac{실제펌프토출압(P)}{이론펌프토출압(P_{th})}$

$\eta_m = \frac{유체동력(L_h)}{축동력(L_s)}$

- 펌프의 구동토크 (T)

$T=\frac{Pq}{2\pi} (N\cdot m), \quad Q=qN, \quad P: 유압, q: 1회전당 유량 (cc),\: Q: 유량, N: 회전수 (rpm)$

- 펌프의 소음발생원인: 흡입관 막힘, 상부커버 헐거움, 펌프축과 원동기축 중심 어긋남, 흡입오일 속 기포, 고속회전의 경우, 점도가 너무 진한 경우 (공동현상으로 소음 발생), 여과기가 너무 작은 경우 / 릴리프 밸브랑 상관없음

- 펌프 무부하 운전: 구동동력 낮음 -> 유압유 열화 방지, 고장방지, 펌프 수명 상승, 작업 시간 상승 

 

4장. 유압제어밸브

- 압력제어밸브: 일의 크기, 유량제어밸브: 일의 속도, 방향제어밸브: 일의 방향, 기타밸브: 비례제어밸브, 서보밸브, 로직밸브

- 압력제어밸브: 릴리프밸브(최고압력 제한), 시퀀스밸브(고압우선압력조절->순서조절), 무부하밸브(압력강하 방지), 카운터 밸런스밸브(배압 유지,낙하 방지, 급진 방지), 감압밸브 (상시개방형), 압력스위치, 유체퓨즈, 안전밸브

1. 릴리프밸브: 최고압력을 제한, 과부하를 제거, 유압회로의 압력을 설정치까지 일정하게 유지 (상시 밀폐형 -> 압력 걸릴 시 오픈), 오버라이드 압력 = 설정압력 (전유량압력) - 크래킹압력으로 압력차가 클수록 릴리프밸브 성능 나쁨, 포핏 진동 원인

2. 감압밸브 (리듀싱밸브): 부분회로의 압력을 주회로의 압력보다 저압으로 사용 (상시 개방형 -> 압력 걸릴 시 닫힘) 

3. 시퀀스밸브: 주회로의 압력을 유지하면서 작동 순서를 제어할 때 사용

*4. 카운터밸런스밸브: 부분회로에 배압을 발생할 때 한쪽은 설정된 배압과 반대방향으로 자유흐름, 자유낙하 및 속도를 제어, 반드시 체크밸브 내장 (***시험 다수 출제)

5. 무부하밸브 (언로드밸브): 설정압력에 이르면 펌프송출량을 그대로 기름탱크로 되돌려 동력절감

6. 유체퓨즈: 설정압을 넘으면 막이 파열되어 유압유를 탱크로 귀환하여 압력 상승을 막음

7. 압력스위치: 유압신호를 전기 신호로 전환 

-> 시퀀스가 되어 카운터에 가면 릴리프해서 무부하됨 

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- 유량제어밸브: 교축(스로틀)밸브 [A 변화 -> V변화 -> Q변화], 유량조절밸브(압력차 일정 유지), 바이패스유량제어밸브, 유량분류밸브, 집류밸브(고정 출구유량 위해 2개 합류), 정지밸브

1. 교축밸브: 점성에 관계없이 유량을 조절 가능, 선형적으로 제어 가능 

2. 집류밸브: 압력에 관계없이 정해진 출구 유량

점핑현상: 작동유가 밸브 내 흐를 때 입구압력이 급상승하여 유량이 순간적으로 대량 흐르는 현상 (밸브 내장 압력보상기의 작동지연이 원인)

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- 방향제어밸브: 체크밸브(역지밸브), 셔틀밸브, 감속밸브, 스풀밸브, 전환밸브, 포핏밸브

1. 셔틀밸브: 출구측 포트 2개의 입구측 관로 중 고압측과 자동적으로 접속, 동시에 저압측 포트를 막아 항상 고압측의 유입유만 통과

2. 전환밸브: 기름의 방향을 제어함

3. 스풀밸브 (매뉴얼밸브): 하나의 축상에 여러개의 밸브면을 두어 직선운동으로 유로 구성

4. 포핏밸브: 시트면에 직각방향으로 이동하는 형식으로 짧은 거리에서 밸브를 개폐가능

5. 체크밸브 (역지밸브): 한 방향으로만 허용

- 방향전환밸브의 위치수, 포트수, 방향수

포트 수는 왼쪽의 A, B, P, T 중에서 선으로 연결된 부분은 2개, 연결이 없는 단자는 1개로 본다 

오픈센터, 세미오픈센터 (밸브 전환 시 완충), 실린더 클로즈드 센터 (A 닫힘), 펌프 클로즈드 센터 (P 닫힘), 탱크 클로즈드 센터 (T닫힘), 클로즈드 센터, ***텐덤 센터 (바이패스형, A와 B 닫힘 -> P와 T 연결되어 무부하), 오픈 텐덤 센터 (P와 T 닫힘)

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비례제어밸브: 유압밸브의 스풀 (수평) 또는 포핏 (수직)에 변위신호를 가하여 교축오리피스를 통과한 유체의 압력 또는 유량은 전류의 크기에 비례 ->압력과 속도를 조절, 설치용적이 작아짐 -> 액추에이터의 급격한 속도 및 방향 방지와 노킹 방지

서보밸브: 전기신호를 입력 받아 기계적 변위를 제어하며 광범위한 피드백 제어

로직밸브: 여러 밸브의 제어기능을 하나의 밸브에 집약함 -> 누설, 진동, 소음 문제를 줄임, 비용절감