유체를 통해 에너지를 전달할 때는 유동 방향을 반드시 결정해야 하며, 지속적이고 완전한 제어를 유지해야 한다. 완전한 제어가 없으면 에너지는 무용지물이 되거나, 더 나쁜 경우 기계가 손상될 수 있다. 유압 기술의 주요 이점 중 하나는 유압 제어 밸브를 사용하여 에너지를 비교적 쉽게 제어할 수 있다는 점이다.

하이드라울릭 제어 밸브

유압 제어 밸브는 내부 유로가 있는 밸브 본체와 유체 흐름을 연결하거나 차단하는 내부 가동 부품으로 구성된 기계 부품이다. 본체의 유로는 유압 오일을 운반하는 데 사용된다. 내부 가동 부품의 작동은 시스템의 최대 압력, 유동 방향 및 유량을 제어한다.

시스템 압력 제어

유압 에너지는 유압 실린더에 적용될 수 있습니다. 결과가 성공적인 작업이 되면, 실린더가 완전히 신장된 후 작업이 완료됩니다. 양변위 펌프는 원동기로부터 계속해서 더 많은 에너지를 흡수합니다. 이로 인해 오일 내 압력이 상승합니다. (참고: 시스템 내 최소 저항이 가해지는 유압 압력을 결정합니다.) 실린더가 더욱 신장됨에 따라 시스템의 물리적 강도가 최소 저항이 됩니다.

펌프는 이러한 저항을 극복하기 위해 추가 압력을 공급합니다. 사람들은 압력 제어 밸브를 사용하여 시스템 압력을 안전한 범위 내로 유지합니다.

압력 제어 밸브

압력 제어 밸브의 내부 움직이는 부품은 압력에 따라 작동합니다. 시스템 압력이 특정 설정값에 도달하면, 내부 움직이는 부품이 밸브 본체 내 하나의 통로를 연결하거나 차단하여 오일이 해당 통로로 흐르게 하거나 흐르지 못하게 합니다.

압력 제어 밸브 구조

압력 제어 밸브는 1차 및 2차 유로와 내부 가동 부품(스풀)을 갖춘 밸브 본체로 구성된다. 유로에 대한 외부 연결부는 각각 1차 포트와 2차 포트라 불린다.

압력 제어 밸브의 작동 원리

압력 제어 밸브의 내부 가동 부품은 일반적으로 스풀 형식의 장치이다. 스풀이 한쪽 끝 위치에 있을 때 내부 유로가 연결되어 유체 흐름이 통하게 된다. 반대로 다른 쪽 끝 위치에 있을 때는 내부 유로가 차단되어 밸브를 통한 유체 흐름이 차단된다.

압력 제어 밸브에서 스풀은 스프링에 의해 한쪽 끝 위치로 편향된다. 이 정상 폐쇄 위치에서는 내부 유로가 차단되어 밸브를 통한 유로가 닫히게 된다. 이러한 유형을 ‘정상 폐쇄형 압력 제어 밸브’라고 한다.

압력 제어 밸브는 스풀 하부의 압력을 감지합니다. 이 하부 유로는 주 포트(primary port)에 연결됩니다. 시스템 압력이 스프링 힘을 초과하면, 스풀이 이동하여 내부 유로를 연결함으로써 밸브를 통한 유체 흐름이 가능해집니다.

(스풀 이동을 제어하기 위해 사용되는 유압을 피로트 압력(pilot pressure)이라고 합니다. 피로트 압력을 이용해 밸브를 제어하는 방식을 피로트 제어(pilot control)라고 하며, 이는 모든 종류의 유압 밸브를 제어하는 데 가장 일반적으로 채택되는 방법입니다.)

이 유형의 압력 제어 밸브에서 주 포트가 시스템 압력 측에 연결되고, 펌프가 공급하는 압력이 과도하게 높아질 경우 펌프에서 유출된 유체가 이 밸브를 통해 오일 탱크로 분기될 수 있습니다. 이러한 일반적으로 닫혀 있는(노멀리 클로즈드, normally closed) 압력 제어 밸브를 안전 밸브(relief valve)라고 합니다.

그림 7-2 일반적으로 닫혀 있는 압력 제어 밸브(안전 밸브 작동). 스프링은 시스템 압력이 스프링 설정 압력을 초과할 때까지 스풀을 닫힌 상태로 유지하며, 그 후 스풀이 이동하여 탱크로의 유로를 개방합니다.

그림 7-3 압력 제어(안전밸브)가 적용된 단순 유압 회로. 실린더가 행정의 끝에 도달하면 안전밸브가 열리고, 펌프 유량이 탱크로 되돌아가 시스템의 최대 압력을 제한한다.

작동기의 방향 제어

유압 실린더가 완전히 신장되면 다시 수축되어야 다음 작업을 수행할 수 있다. 따라서 양방향으로 움직여야 하는 실린더는 일반적으로 두 개의 포트를 갖는 이중 작동식 유압 실린더(double-acting cylinder)를 사용한다. 이때 유량의 흐름 방향도 동시에 반전되어야 한다.

양압식 유압 실린더

이중 작동식 유압 실린더는 실린더 배럴 양쪽 끝에 각각 하나의 포트를 가지며, 유체가 유입 및 유출될 수 있도록 하여 피스톤이 양방향으로 움직일 수 있게 한다(이중 작동식). 이중 작동식 실린더의 두 포트를 구분하기 위해 하나는 "A" 포트, 다른 하나는 "B" 포트라고 표시한다.

방향 제어 밸브

방향 제어 밸브의 내부 가동 부품은 밸브 본체 내부 통로를 연결하거나 차단하는 기능을 하여, 유체의 흐름 방향을 제어한다.

방향 제어 밸브 구조

일반적인 방향 제어 밸브는 밸브 본체 내부에 네 개의 유로를 가지며, 이 유로들을 연결하거나 차단할 수 있는 슬라이딩 스풀을 갖는다.

방향 제어 밸브의 작동 원리

스풀이 한쪽 끝 위치에 있을 때, 압력 유로는 작업 유로 A에 연결되고, 회수 유로는 작업 유로 B에 연결된다. 스풀이 다른 쪽 끝 위치로 전환되면, 압력 유로는 작업 유로 B에 연결되고, 회수 유로는 작업 유로 A에 연결된다. 스풀의 방향을 전환하면 유압 실린더로 유입되는 오일 흐름 방향이 바뀐다.

실린더 로드가 요구된 대로 완전히 신장 및 수축할 때 작업이 완료된다. 스풀이 다른 쪽 끝 위치로 전환되면 오일이 실린더의 반대쪽으로 유입되어 실린더 로드가 수축한다.

그림 7-4 이중 작동 실린더 회로에 적용된 방향 제어 밸브. 스풀의 이동은 오일 흐름 방향을 반전시켜 실린더의 움직임 방향도 반전시킨다.

작동기의 속도 제어

많은 응용 분야에서 액추에이터의 작동 속도를 제어해야 하며, 때로는 매우 정밀하게 제어해야 한다. 앞서 설명한 바에 따르면, 액추에이터(실린더, 유압 모터)의 속도는 오일 주입 속도와 직접적으로 관련이 있다—즉, 액추에이터 속도는 유입 유량에 의해 결정된다.

펌프 배출량이 고정된 경우, 요구되는 액추에이터 속도에 따라 펌프 유량을 선택할 수 있다. 그러나 이 방법은 단일 액추에이터만을 사용하는 시스템에서만 실현 가능하다.

일반적으로 유압 시스템에서는 액추에이터가 하나 이상 존재한다. 시스템에서 각 유압 실린더가 독립적으로 작동해야 할 경우, 펌프 유량은 가장 큰 유압 실린더 중에서 가장 빠른 속도가 필요한 것을 기준으로 선택해야 한다. 이는 작은 액추에이터들이 더 빠르게 움직인다는 것을 의미하며, 이는 바람직하지 않을 수 있다. 이러한 액추에이터 또는 다른 어떤 액추에이터로 유입되는 유량을 줄이기 위해 유량 조절 밸브를 사용해야 한다.

유량제어밸브

유량 조절 밸브를 사용할 경우, 펌프에서 액추에이터로 공급되는 유량을 항상 줄일 수 있다.

유량 제어 밸브 구조

일반적인 유량 제어 밸브는 밸브 본체와 가동 부품으로 구성됩니다. 본 예시에서는 가동 부품이 원추형 끝단을 갖는 조정용 니들(needle)입니다. 이 니들은 작동 중에 실제로 움직이지 않으며(사전에 고정 위치로 설정됨), 따라서 유량 제어 밸브의 가동 부품은 '움직이는(moving)' 것이라기보다는 '조정 가능한(adjustable)' 것으로 부르는 것이 더 적절합니다.

유량 제어 밸브의 작동 원리

유압 시스템에서 유량 제어 밸브는 항상 압력 제어 밸브(안전 밸브)와 함께 작동합니다. 유량 제어 밸브는 유체 흐름에 대한 저항을 제공하며, 이로 인해 유압 펌프가 더 높은 압력을 발생시킵니다. 이 압력은 펌프에서 나온 일부 유량이 안전 밸브를 개방하게 하여, 유량 제어 밸브를 통하는 유량을 줄이고 최종적으로 액추에이터에 도달하는 유량을 조절합니다.

그림 7-5 유량 제어 회로. 니들 밸브가 실린더로 향하는 유량을 절류합니다. 과잉 펌프 유량은 안전 밸브를 통해 탱크로 유입됩니다. 니들 밸브의 개방 정도가 실린더의 속도를 결정합니다.

단순 유압 시스템

위에서 소개한 모든 구성 요소는 간단한 유압 시스템을 구성할 수 있습니다. 이 시스템 내의 유압 에너지는 제어가 가능하므로, 이 시스템은 유용한 작업을 수행할 수 있습니다.

유압 시스템은 항공우주, 항공기, 군사 장비에서부터 산업용 장비, 자행 기계(자체 이동식 기계), 철강 장비에 이르기까지 다양한 분야에 광범위하게 사용됩니다. 이러한 모든 응용 분야에서 유압 시스템의 작동 원리는 위에서 설명한 것과 동일합니다. 다양한 ‘유형’의 유압 시스템 사이의 유일한 차이점은 사용되는 구성 요소에 있습니다.

다음 장에서는 산업용 유압 시스템에 사용되는 다양한 유형의 구성 요소를 상세히 다룰 예정입니다. 이러한 구성 요소의 사용 방법을 설명하기 위해 몇 가지 기본적인 유압 회로도 설계할 예정입니다.

유압 도면 기호

이전에 유압 부품 및 기본 시스템에 대한 논의에서는 모든 내용을 도식적으로 설명하였으며, 단면도를 사용하여 부품 내부 작동을 시각적으로 보여주었습니다. 이 방법은 문제를 설명하는 데는 유용하지만, 실무 현장에서 매일 반복적으로 적용하기에는 비실용적입니다.

다른 기술 분야와 마찬가지로 유압 공학 분야에서도 부품 및 시스템을 나타내기 위해 그래픽 기호를 사용합니다. 이전에 논의된 다양한 유압 부품 및 간단한 시스템은 모두 ANSI Y32.10 또는 ISO 1219 표준에 따른 유압 및 공압 그래픽 기호로 표현할 수 있습니다.

이미 논의된 부품 외에도 유압 시스템을 구성하는 부품으로는 전동기, 유압 필터 등이 있습니다. 유압 시스템은 일반적으로 전동기에 의해 구동됩니다. 또한, 적정 수준의 청결도를 유지하기 위해 유압 시스템은 유압 오일을 오염으로부터 보호하기 위해 유압 필터를 사용해야 합니다.

그림 7-7 표준 유압 그래픽 기호(ANSI Y32.10 / ISO 1219). 이러한 기호는 단면도 대신 모든 유압 회로 배선도에 사용된다.

그림 7-8 표준 그래픽 기호로 표현된 완전한 간단한 유압 회로. 이는 공학 실무에서 유압 회로를 도식화하는 방식이다.