중국 난징 구루 지구 무부 이 로드 33-99번지 [email protected] | [email protected]
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산업용 유압 시스템에서 펌프는 일반적으로 시스템 유체를 보관하는 저수조 위에 설치된다. 흡입관(또는 흡입 라인이라고도 함)은 펌프의 흡입구를 저수조 내의 유류와 연결한다.
저수조에서 펌프로 유체가 흐르는 과정은 별도의 유압 시스템으로 간주할 수 있다. 이 하위 시스템에서 펌프에 의해 생성되는 대기압 이하의 압력이 유동에 대한 저항을 제공하며, 유체를 이동시키는 에너지는 대기압에서 공급된다. 대기는 저수조 내 유류 표면에 작용하여 축압기처럼 기능한다.
그림 5-1 표준 펌프 설치 — 펌프가 상부에 위치하고, 흡입관이 유면 아래에 있음. 유면에 작용하는 대기압이 오일을 펌프 내부로 밀어 올리는 힘임.
우리는 일반적으로 공기를 무게가 없는 것으로 간주하지만, 지구를 둘러싸고 있는 대기층은 실제로 압력을 갖는다. 기압계의 발명자인 토리첼리(Torricelli)는 대기압을 수은 기둥을 이용해 측정할 수 있음을 입증하였다. 수은으로 가득 찬 유리관을 수은 담금통에 거꾸로 세웠을 때, 해수면에서 대기압이 지지할 수 있는 수은 기둥의 높이는 29.92인치(760mm)임을 발견하였다. 따라서 표준 조건 하에서 해수면의 대기압은 29.92인치(760mm) 수은 기둥과 동일하거나 이와 등가이다. 물론 해수면보다 높은 위치에서는 대기압이 낮아진다.
유압은 일반적으로 psi 또는 bar로 표현되지만, 대기압은 일반적으로 in.Hg(수은주 인치) 또는 mmHg(수은주 밀리미터)로 측정된다. 68°F(20°C) 및 상대 습도 36% 조건에서 해수면 대기압은 29.92 in.Hg 또는 760 mmHg이며, 이는 14.7 psia 또는 1.01 bar에 해당한다. 주의할 점은 bar 단위가 대기압 정의에 사용되지 않는다는 것이다. 대신 표준 대기압은 101,000 N/m²이다.
In.Hg와 psi 간 환산 시, 1 psia = 2.04 in.Hg이고, 1 bar ≈ 752 mmHg임을 유의해야 한다. 따라서 대략적으로 1 psia ≈ 2 in.Hg 또는 1 bar ≈ 750 mmHg이다.
유압 시스템 내 압력을 측정할 때 절대 압력과 게이지 압력 모두 사용될 수 있다.
절대 압력은 제로 압력점—즉, 압력이 완전히 존재하지 않는 지점—으로부터 측정된다. 단위는 psi(또는 bar), 또는 in.Hg(또는 mmHg)일 수 있다. 절대 압력은 접미사 "a"를 추가하여 표시하며, 예를 들어 psia(절대 psi), bara 등으로 표기한다.
게이지 압력은 대기압을 기준으로 측정된 압력입니다. 단위는 psi(바)입니다. 절대 압력은 게이지 압력에 표준 대기압을 더한 값과 같습니다. 예시: 시스템에서 100 psig(6.9 bar 게이지)를 측정하고, 표준 대기압이 14.7 psia(1 바)라면, 절대 압력은 114.7 psia(7.9 bar 절대)입니다. 두 압력을 구분하기 위해 게이지 압력은 'psig'로, 절대 압력은 'psia'로 표기합니다.
펌프가 작동하지 않을 때, 시스템의 흡입측은 평형 상태에 있습니다 — 즉 펌프와 대기 사이의 압력 차이는 없으므로 유량이 발생하지 않습니다. 펌프가 작동하여 회전 부재에 오일을 공급하려면, 작동 중인 펌프가 대기압보다 낮은 압력을 생성함으로써 시스템을 불평형 상태로 만들고, 이때 유량이 시작됩니다.
대기압이 유체에 가하는 압력은 다음 두 가지 목적을 달성합니다:
대부분의 대기압은 유체를 펌프 내부로 가속시키는 데 사용되지만, 먼저 수행되어야 할 작업이 있습니다: 펌프 흡입구에 유체를 공급하는 것입니다. 이 단계에서 과도한 대기압을 소비할 경우, 회전 어셈블리로 유체를 가속시키기에 충분한 압력이 남지 않게 됩니다. 이로 인해 펌프가 유체 부족 상태에 빠지고, 이른바 캐비테이션(cavitation) 현상이 발생합니다.
캐비테이션(cavitation)은 액체 내에서 증기 공동이 형성되고 붕괴되는 현상입니다. 이 현상은 펌프에 두 가지 방식으로 해를 끼칩니다:
펌프 흡입측에서 유체 전반에 걸쳐 증기 공동(캐비테이션 캐비티)이 형성된다. 이로 인해 윤활 효과가 저하되고 마모가 가속화된다. 이러한 공동이 펌프 배출구의 고압 영역에 도달하면, 공동 벽면이 압축되어 폭발적으로 붕괴되며 막대한 에너지를 방출하는데, 이 에너지는 금속 표면을 마치 조각가가 망치와 정으로 돌을 다듬는 것처럼 점차 깎아내는 작용을 한다. 캐비테이션이 지속되면 펌프 수명이 단축될 뿐만 아니라, 캐비테이션으로 생성된 잔해가 시스템의 다른 부위로 이동하여 다른 구성품을 손상시킬 수도 있다.
그림 5-5 펌프 하우징 보어에 발생한 캐비테이션 손상. 미세한 피팅(pitting) 패턴은 금속 표면에서 증기 공동이 반복적으로 붕괴됨에 따라 유발된다.
공동현상의 가장 뚜렷한 징후는 소음이다. 기포가 붕괴될 때 발생하는 고진폭 진동이 전체 시스템으로 전파되며, 유압 펌프는 높은 음조의 날카로운 소음을 발생시킨다. 공동현상이 발생하면 펌프 챔버가 유체로 완전히 채워지지 않기 때문에 유량이 감소하고 시스템 압력이 불안정해진다.
공동현상은 액체 내에서 액체가 끓으면서 발생한다. 그러나 이 끓음은 열에 의한 것이 아니라, 액체가 충분히 낮은 절대 압력에 도달했을 때 발생한다.
액체 내 모든 분자는 끊임없이 움직이고 있으나, 그 속도는 모두 동일하지 않다. 표면 근처의 빠르게 움직이는 분자들은 주변 분자들의 인력을 무시하고 상부 공간으로 탈출하려고 한다. 이러한 빠르게 움직이는 분자들이 대기 중으로 탈출하기 위해 극복해야 하는 힘은 바로 해당 액체의 증기압이다.
액체 용기가 밀봉되어 있을 경우, 빠르게 움직이는 분자들이 액체 상부의 공간으로 이동한다. 해당 공간이 포화 증기 상태에 도달하면 분자들이 충돌하여 다시 액체로 돌아간다. 분자가 액체에서 기체로 떠나는 현상을 증발이라 하며, 분자가 기체에서 액체로 돌아오는 현상을 응결이라 한다. 증발 속도와 응결 속도가 같아질 때 평형 상태에 도달하게 되고, 이때 생성되는 증기의 압력은 해당 액체의 증기압이다. 증기압은 일반적으로 절대 압력 단위로 표시되며, 인치 수은주(in.Hg)로 표현된다.
증기압은 온도에 따라 영향을 받는다. 온도가 상승함에 따라 액체 분자들은 더 많은 에너지를 얻고 더 빠르게 움직이게 된다. 따라서 증기압도 상승한다. 증기압이 대기압과 같아지면 액체 분자들이 자유롭게 대기 중으로 진입할 수 있으며, 이를 끓음이라고 한다. 해수면에서 물은 212°F(100°C)에서 끓는데, 이는 이 온도에서 물의 증기압이 대기압과 같아지기 때문이다.
액체는 그 위에 작용하는 압력을 낮추는 것만으로도 끓일 수 있다. 압력이 감소하여 액체의 증기압과 같아지면, 액체 분자들이 액체 상부 공간으로 자유롭게 이동할 수 있다. 100°F(37.2°C)의 물은 2 in.Hg(0.068 bar)의 증기압을 갖는다. 100°F의 물이 담긴 용기를 진공 펌프에 연결하여 내부 절대 압력을 2 in.Hg(0.068 bar)로 낮추면, 물이 끓게 된다. 일반적으로 액체를 취급하는 펌프는 이러한 유형의 끓음 현상을 겪는다.
해수면에서의 유압 오일은 약 10%의 용존 공기를 함유한다. 이 공기는 액체에 용해된 상태로 존재하며, 눈에 보이지 않으며 액체의 부피를 눈에 띄게 증가시키지도 않는다. 유압 오일 또는 어떤 액체든 간에 공기를 용해시킬 수 있는 능력은 액체에 작용하는 압력이 감소함에 따라 줄어든다. 예를 들어, 대기압 하에 있는 유압 오일 한 컵을 진공 상태로 옮기면, 용존 공기가 기포로 변해 용액에서 탈리된다. 공동현상(cavitation) 동안에는 용존 공기가 오일에서 탈리되어 유압 펌프에 손상을 일으킨다.
혼입 공기(entrained air)는 액체 내에 용해되지 않은 상태, 즉 기포 형태로 존재하는 공기이다. 펌프가 가끔씩 혼입 공기를 포함한 오일을 흡입하게 되면, 이러한 기포는 펌프에 공동현상과 유사한 영향을 미친다. 그러나 이 현상은 액체의 증기압과 관련이 없기 때문에 ‘가상 공동현상(pseudo-cavitation)’이라고 부른다.
흡입 라인에 누출이 있거나 펌프 샤프트 실링이 고장 나면, 시스템 내에는 거의 항상 혼입 공기가 존재한다. 펌프 입구 측의 압력은 종종 대기압보다 낮기 때문에, 이 부위의 어떤 개방도 유체(오일)와 펌프 내부로 공기를 끌어들이게 된다. 저장 탱크에서 제거되지 못한 혼입 공기 기포 역시 펌프로 유입된다.
공동현상(cavitation)은 펌프와 전체 시스템 모두에 심각한 손상을 초래한다. 따라서 펌프 제조사는 자사 제품에 대해 입구 측 압력 한계를 명시한다. 정량식 산업용 유압 펌프 제조사들은 일반적으로 유체가 펌프의 회전 부재로 주입될 수 있도록 하기 위해 펌프 입구 압력이 대기압보다 낮아야 한다고 규정한다. 그러나 이러한 압력 규격은 보통 절대 압력 단위가 아니라 진공(vacuum) 단위로 표시된다.
진공이란 대기압보다 낮은 압력을 말한다. 진공은 개념적으로 혼란스러운데, 그 기준점이 게이지 압력(대기압)과 동일하지만, 값은 인치 수은주(in.Hg) 또는 밀리미터 수은주(mmHg) 단위로 아래쪽으로 계산되기 때문이다.
0 in(0 mm) 진공 = 대기압 또는 0 게이지 압력. 29.92 in.Hg(760 mmHg) 진공 = 완전 진공 또는 0 절대 압력.
도면에 표시된 바와 같이, 대기압 상태의 용기와 유리관을 통해 연결된 수은 트로프가 있다. 용기 내부의 압력은 트로프에 작용하는 대기압과 같기 때문에 수은은 유리관 내에서 상승하지 않는다. 수은 기둥의 높이가 0이라는 것은 해당 용기가 진공 상태가 아님을 나타낸다.
컨테이너를 흡기하여 내부 압력이 10 인치 수은주(254 mmHg)로 감소시키면, 트로프 표면에 작용하는 대기압이 10 인치(254 mm) 높이의 수은주를 지지할 수 있게 되며, 측정된 진공도는 10 in.Hg(254 mmHg)가 된다. 컨테이너를 완전 진공(절대 압력 0)까지 흡기하면, 대기압이 29.92 인치(760 mm) 높이의 수은주를 지지할 수 있으며, 측정된 진공도는 29.92 in.Hg(760 mm)가 된다.
0 인치(0 mm) 수은주 진공 = 대기압 = 게이지 압력 0. 29.92 in.Hg(760 mm) 진공 = 완전 진공 = 절대 압력 0.
그림 5-9 수은 마노미터를 이용한 진공 측정. 위에서 아래로 세 가지 상태: 대기 상태(진공 없음), 부분 진공(10 in.Hg), 완전 진공(29.92 in.Hg = 0 psia).
진공 게이지는 0~30 in.Hg(0~760 mmHg) 범위로 교정되며, 각 눈금은 1 in.Hg를 나타낸다. 해수면에서 진공 게이지의 측정값을 절대 압력으로 환산하려면, 진공 측정값(in.Hg 단위)을 30 in.Hg(760 mmHg)에서 빼기만 하면 된다. 예를 들어, 7 in.Hg(177 mmHg)의 진공 측정값은 절대 압력 23 in.Hg(583 mmHg)에 해당한다.
펌프 제조사는 흡입구 요구사항을 진공 단위로 표시하는데, 이는 해수면과 관련이 있기 때문이다. 즉, 펌프가 해수면보다 높은 고도에서 사용될 경우, 그 고도에서의 낮은 대기압을 반드시 고려해야 한다.
예시: 제조업체에서 최대 흡입 진공도가 7 in.Hg(177 mmHg)를 초과해서는 안 된다고 명시한 경우, 이는 제조업체가 유체를 회전 조립체로 신속히 유도하기 위해 펌프 흡입구에서 최소 23 in.Hg(583 mmHg)의 절대 압력(또는 대기압)을 요구한다는 의미입니다. 펌프 흡입구의 절대 압력이 23 in.Hg(583 mmHg) 미만으로 떨어질 경우 펌프가 손상될 수 있으나, 이는 제조업체가 진공 등급에 대해 허용하는 설계 여유 인수에 따라 달라질 수 있습니다. 모든 공식적으로 발표된 펌프 흡입 사양은 정격 속도 및 석유 기반 오일을 전제로 합니다. 펌프가 다른 속도로 작동하거나 다른 유체를 사용할 경우, 해당 사양을 조정해야 합니다.
펌프의 최대 허용 진공도는 펌프로 이송되는 유체의 종류에 따라 달라집니다. 흡입측 기술적 요구사항은 석유 기름의 비중과 증기압을 기준으로 산정됩니다. 내화성 유압유를 사용할 경우, 비중과 증기압의 변화가 최대 허용 흡입 진공도에 영향을 미칩니다.
비중은 한 액체의 무게와 다른 액체의 무게의 비율을 의미합니다. 보다 정확히 말하면, 일정한 부피의 액체 무게와 동일한 부피의 물 무게의 비율입니다. 60°F(15.6°C)에서 1 ft³의 물은 62.4 lbs(28.3 kg)입니다. 기름의 무게를 물의 무게로 나누면, 기름의 무게는 물의 무게의 90%에 해당한다는 것을 알 수 있으며, 즉 무게 비율은 1(물) 대 0.90(석유 기름)입니다. 따라서 석유 기름의 비중(SG)은 0.90입니다.
펌프 흡입측 요구 사항은 비중(SG)이 0.87–0.90인 석유계 유류를 기준으로 산정된다. 인산에스터 계열 내화성 유체의 경우 비중이 약 30% 증가하여 약 1.15가 된다. 수기반 유압 유체의 비중은 HFB 에멀젼의 경우 0.93에서 물-글리콜의 경우 1.08까지 다양하다. 이러한 더 무거운 유체를 펌프로 신속히 유입시키기 위해서는 펌프 흡입측에서 더 높은 압력이 필요하다. 따라서 허용 최대 진공도를 약간 낮춰야 한다.
석유계 유류 및 인산에스터 계열 내화성 유체는 일반적인 유압 작동 온도에서 매우 낮은 증기압을 가지지만, 수기반 유압 유체는 이와 다르다. 수기반 유체는 상당한 비율의 물을 포함한다. HFB 에멀젼과 물-글리콜 모두의 증기압은 수은주 인치 단위로 여러 인치에 달할 수 있는 반면, 석유계 유류 및 합성 유체의 증기압은 수은주 인치 단위로 소수점 이하의 값에 불과하다. 따라서 수기반 유체는 증발 및 캐비테이션 발생에 더 취약하다.
수성 유체의 캐비테이션을 방지하기 위해 펌프 제조사는 작동 유체를 펌프 내부로 가속시키기 위해 펌프 입구에 충분한 압력을 요구한다. 이 요구 조건은 최대 허용 진공도를 낮춤으로써 충족할 수 있다.
그림 5-13 증기압 비교. 수성 유체는 동일한 온도에서 광물성 오일보다 훨씬 높은 증기압을 가지므로, 입구 진공도가 지나치게 높을 경우 캐비테이션에 더 취약해진다.
정비 담당자는 기계에 대한 익숙함으로 인해 고장의 초기 징후를 가장 먼저 인지할 수 있으므로, 펌프의 캐비테이션 발생 또는 공기 유입을 조기에 발견할 가능성이 가장 높다.
유압 펌프의 캐비테이션 또는 공기 유입을 나타내는 가장 명백한 징후는 고주파 소음이지만, 이 둘 사이에는 미묘한 차이가 있습니다. 캐비테이션이 발생하는 펌프는 일정한 고주파 소음을 발생시킵니다. 이 소음은 크기가 비슷한 기포들이 붕괴되면서 발생할 수 있습니다. 반면 공기가 유입될 때는 펌프 소음이 크게 변합니다. 소량의 공기가 유입되면 소음이 클릭 소리처럼 들리거나 베어링 고장과 유사한 소리가 납니다. 대량의 공기가 유입되면 이상한 망치질 소리나 딱딱거리는 소리가 발생합니다.
캐비테이션과 공기 유입을 구분하는 보다 신뢰성 있는 방법은 진공 게이지를 사용하여 펌프 흡입구에서의 절대 압력을 측정하는 것입니다. 진공 측정값을 대기압에서 빼면 절대 압력 값이 산출되며, 이 값이 충분하지 않으면 캐비테이션이 발생하고 있을 가능성이 있습니다.
신규 유압 시스템의 경우: 펌프에서 캐비테이션이 발생하는 이유는 흡입 라인이 부적절하게 설계되었거나, 오일 점도가 과도하게 높기 때문일 수 있습니다. 적정 점도의 오일을 사용하거나 흡입 라인의 지름을 확대하여 관 내 압력 강하를 줄이면 캐비테이션 개선에 도움이 됩니다. 올바르게 설계된 기존 시스템의 경우: 펌프에서 캐비테이션이 발생하는 원인은 흡입 라인이 이물질, 종이 또는 작은 동물 등으로 막혔거나, 인렛 필터가 바이패스 없이 과도하게 오염되었거나, 바이패스가 충분히 개방되지 않았기 때문일 수 있습니다.
유압 펌프의 경우, '프라이밍(priming)'이란 펌프 작동 메커니즘 내부를 유체로 채우는 것을 의미합니다. 프라이밍되지 않은 펌프는 공기 또는 '공기 차단(air lock)' 상태를 포함합니다. 펌프 작동이 시작되기 전에 이 공기는 흡입 라인과 펌프 캐비티에서 제거되어야 합니다. 이 단계를 생략하고 프라이밍 없이 유압 펌프를 가동할 경우, 윤활 부족으로 인해 몇 분 이내에 영구적인 손상이 발생할 수 있습니다.
출구가 방향 제어 밸브를 통해 직접 유량 저장조(reservoir)에 연결된 펌프는 일반적으로 시동 시 잔류 가스를 저장조로 쉽게 배출할 수 있다. 그러나 펌프가 내부 공기를 안전 밸브(relief valve)를 통해 배출해야 하는 경우, 이 작업은 불가능할 수 있다 — 왜냐하면 일반적인 산업용 유압 펌프는 매우 비효율적인 공기 압축기이기 때문이다.
프라이밍되지 않은 펌프의 잔류 공기를 배출하려면, 펌프 출구의 파이프 피팅을 느슨하게 풀고, 오일이 피팅에서 분사될 때까지 펌프를 천천히 회전시켜 프라이밍 상태임을 확인한 후, 피팅을 다시 조인다. 또한 안전 밸브를 언로드함으로써 잔류 공기를 배출할 수도 있다.
유압 펌프는 일반적으로 신규 시스템을 처음 가동할 때나 기존 시스템의 흡입 측 유지보수 작업 후에만 프라이밍이 필요하다.
펌프 흡입 조건을 다룰 때 다음 용어와 공식을 사용한다.
펌프 흡입구가 유체 저장조의 유체 수면보다 낮은 상태. 침수 흡입 시, 유체 수두(중력)가 유체를 펌프 내부로 밀어넣는 데 추가적인 에너지를 제공한다.
유체 기둥 바닥에서 발생하는 압력. 펌프 흡입구가 유체 수면보다 낮을 경우, 수두 압력이 펌프에 추가적인 에너지 공급원이 된다. 수두 압력 계산식:
수두 압력(in.Hg) = 높이(in) × 0.036 × 비중 ÷ 0.491
수두 압력(mmHg) = 높이(mm) × 0.0288 × 비중
주어진 기준점보다 아래에서 길이 단위로 표현된 등가 기둥 높이. 양압 압력 계산식(in.Hg 기준):
양압 압력(in.Hg) = 높이(in) × 0.036 × 비중 ÷ 0.491
양압 압력(mmHg) = 높이(mm) × 0.0288 × 비중
유압 펌프가 자체와 대기 사이에 압력 차이를 생성하기 위해 수행하는 작동.
펌프 흡입구에서 유체의 절대 압력.
중국의 인장 재료 공장인 HOVOO에 오신 것을 환영합니다. PU, 고무 및 PTFE 인장 재료 생산. 인장 재료에는 O링, 피스톤 인장 재료, 로드 인장 재료, 그레이 링 및 가스 인장 재료가 포함됩니다.
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