제8장: 체크 밸브, 압력 축적기 및 유압 실린더

체크 밸브

체크 밸브 구조

체크 밸브는 주로 입구 및 출구 포트가 있는 밸브 본체와 스프링에 의해 편향되는 가동 부품으로 구성된다. 가동 부품은 디스크, 플레이트 또는 팝펫일 수 있으며, 유압 시스템에서는 보통 볼 또는 팝펫 시트이다.

체크 밸브의 작동 원리

유체는 체크 밸브를 통해 한 방향(자유 유동 방향)으로만 흐를 수 있다. 입구 포트의 시스템 압력이 팝펫을 편향시키는 스프링 힘을 충분히 이길 정도로 상승하면, 팝펫이 시트에서 떨어지고 유체가 흐른다. 이를 자유 유동 방향이라 한다. 유체가 출구 포트로부터 역류하려 할 때는 팝펫이 시트에 눌려 밀착되어 통로를 차단하고 역류를 완전히 막는다.

그림 8-1 체크 밸브. 유동이 역방향으로 전환될 때 스프링 부하를 받는 팝펫이 시트에 밀착되어 역류를 완전히 차단한다. 체크 밸브는 유압 시스템에서 일방통행 도로에 해당한다.

회로 내 체크 밸브 응용 사례

체크 밸브는 방향 제어 기능과 압력 제어 기능을 모두 갖추고 있으며, 유체 흐름을 한 방향으로만 허용합니다. 유압 시스템에서 체크 밸브는 일반적으로 바이패스 밸브로 사용되어 유체가 특정 부품을 우회하도록 합니다. 예를 들어, 유량 조절 밸브와 병렬로 설치된 체크 밸브는 역방향 유동 시 유량 조절 밸브를 우회할 수 있도록 허용합니다.

체크 밸브는 시스템의 분기 또는 특정 부품을 격리하는 데에도 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 액큐뮬레이터와 함께 사용될 경우, 체크 밸브는 액큐뮬레이터가 안전 밸브나 유압 펌프를 통해 역방향으로 방전되는 것을 방지합니다.

체크 밸브는 일반적으로 누출이 적은 장치이며, 사실상 완전히 누출되지 않도록 설계할 수도 있다. 체크 밸브는 하중을 거의 무한정 오래 지지할 수 있다. 그러나 체크 밸브는 일방향 밸브라는 점을 기억해야 한다. 즉, 하중을 해제하려면 가동 부품을 시트에서 강제로 분리시켜야 한다. 이 작업을 수행하기 위해서는 피로트 작동식 체크 밸브(pilot-operated check valve)라 불리는 특수한 유형의 체크 밸브가 필요하다.

그림 8-2 유압 회로에서 체크 밸브의 세 가지 일반적인 용도: 유량 조절기 주변의 바이패스, 축적기(accumulator)의 격리, 스프링 부하 압력 임계값.

현수된 하중 지지

대부분의 스풀 형 유압 부품은 내부 바이패스 유량을 일부 갖는데, 이는 품질이 낮다는 것을 의미하지 않는다. 대부분의 이러한 바이패스 유량은 오히려 부품의 윤활을 위해 의도적으로 설계된 것이다. 그러나 실린더가 하중을 현수 상태로 유지하면서 크리프(creeep) 없이 정확히 고정되어야 하는 시스템에서는 누출이 문제가 된다. 이 경우, 밀봉 능력을 갖춘 체크 밸브를 사용해야 한다.

피로트 작동식 체크 밸브

피롯 작동 체크 밸브는 한 방향으로 자유롭게 유체가 흐르도록 허용하며, 피롯 압력이 이동식 부품을 시트에서 떼어놓을 때 역방향 흐름도 통하도록 합니다.

건설

일반 체크 밸브와 마찬가지로, 피롯 작동 체크 밸브는 입구 및 출구 포트를 갖춘 밸브 본체, 스프링에 의해 시트에 압력을 가하는 팝펫(이동식 부품)으로 구성됩니다. 추가로, 시트 바로 반대쪽에 팝펫은 푸시 로드와 부드러운 스프링으로 편향된 피롯 피스톤과 결합되어 있습니다. 피롯 포트에서 공급된 피롯 압력이 피스톤에 작용합니다. 피스톤의 스프링 챔버에는 배출 포트가 있습니다.

작동 방식

피롯 작동 체크 밸브는 일반 체크 밸브와 동일한 방식으로 입구에서 출구로의 자유로운 유체 흐름을 허용합니다. 출구에서 유입되려는 유체는 팝펫을 시트에 강제로 압착시켜 통로를 폐쇄합니다. 충분한 피롯 압력이 피롯 피스톤에 작용하면, 피스톤이 움직여 체크 팝펫을 밀어 시트에서 들어 올립니다. 피롯 피스톤에 작용하는 힘이 충분히 크다면, 유체는 출구에서 입구로 흐를 수 있습니다.

그림 8-3 피лот 작동식 체크 밸브. 피лот 압력이 없을 경우 일반 체크 밸브와 동일하게 작동하며(단방향 자유 유동만 허용), 피롯 압력이 가해지면 역방향 유동도 허용되어 하중을 해제할 수 있다.

회로 응용 분야

피롯 작동식 체크 밸브 하나를 사용하여 실린더의 B포트에서 유량을 차단하면, 실린더의 밀봉 성능이 양호하고 배관, 실린더, 체크 밸브에서 누출이 없는 한 하중을 정지 상태로 유지할 수 있다. 하중을 내리기 위해서는 단순히 A라인의 피롯 압력을 제어 피스톤으로 공급하면 된다.

피롯 작동식 체크 밸브의 피롯 압력은 유압 실린더의 작동 라인에서 취한다 — A라인의 압력이 충분히 높은 한, 체크 밸브는 개방 상태를 유지한다. 하중을 들어올릴 때는 오일이 체크 밸브를 자유롭게 통과할 수 있는데, 이는 자유 유동 방향이기 때문이다.

어떤 상황에서는 실린더 피스톤 로드에 부착된 하중을 정지시켜야 합니다. 이를 달성하기 위해 각 실린더 작동 라인에 피로트 작동 체크 밸브를 설치할 수 있으며, 이러한 피로트 작동 체크 밸브는 실린더에서 유출되는 유량을 차단합니다. 실린더의 씰이 계속 효과적으로 작동하고 어디에서도 누출이 발생하지 않는 한, 하중은 고정된 위치에 유지될 수 있습니다.

하이드라울릭 축적기

축적기(어큐뮬레이터)는 유압을 저장합니다. 이 유압은 작업 에너지(유량 및 압력)로 전환될 수 있는 위치 에너지입니다.

축적기의 종류

축적기는 중력 부하형, 스프링 부하형, 유체/기체형으로 구분할 수 있습니다. 이들은 저장된 유압 오일에 작용하는 작동력을 유지하는 방식에서 서로 다릅니다.

중력 부하형 축적기

중력식 축적기(gravity-loaded accumulator)는 피스톤 또는 플런저에 작용하는 중량 물체의 무게를 이용하여 저장된 유압 오일에 작동력을 유지한다. 이 중량 물체는 철, 콘크리트 또는 심지어 물과 같은 어떤 중량 재료로도 제작할 수 있다. 중력식 축적기는 일반적으로 매우 크며, 때로는 수백 갤런을 저장하기도 한다. 이러한 축적기는 여러 유압 시스템을 동시에 공급하며, 압연기(rolling mills) 및 중앙 유압 시스템에서 사용된다.

중력식 축적기의 바람직한 특성은 저장된 오일을 상대적으로 일정한 압력으로 보관한다는 점이다. 즉, 저장 용기가 가득 차 있든 거의 비어 있든 관계없이 저장 압력은 실질적으로 변하지 않는다. 이는 오일에 작용하는 힘이 중력(즉, 무게)이기 때문에 발생하는 현상으로, 중력은 항상 일정하므로 축적기에 저장된 오일의 양에 관계없이 작용하는 힘은 동일하다.

중력 부하형 축적기의 바람직하지 않은 특성 중 하나는 충격 발생이다. 중력 부하형 축적기가 급속한 유량 출력 중 갑자기 정지될 경우, 무거운 추의 관성으로 인해 시스템 내에서 상당한 압력 급증이 발생한다. 이로 인해 배관 및 피팅 누출이 발생할 수 있으며, 금속 피로를 유발하여 부품의 조기 고장으로 이어질 수 있다.

그림 8-6 중력 부하형 축적기. 일정한 추의 무게로 인해 유체의 양과 관계없이 일정한 압력을 생성한다. 제철소 유압 장치와 같은 대규모 산업용 시스템에 사용된다.

스프링 부하형 축적기

스프링 부하형 액큐무레이터는 피스톤에 작용하는 스프링을 이용하여 저장된 유압 오일에 힘을 가해 유지한다. 스프링 부하형 액큐무레이터는 일반적으로 중력식보다 크기가 작아서 몇 갤런 정도의 유체를 저장할 수 있다. 이 장치는 보통 단일 유압 시스템에 사용되며, 대개 저압에서 작동한다. 압력 오일이 스프링 부하형 액큐무레이터로 유입되면, 저장된 오일의 압력은 스프링이 얼마나 압축되었는지에 따라 결정된다. 피스톤이 상향 이동하여 스프링을 10인치(25.4cm)만큼 압축하면, 저장된 압력은 스프링이 4인치(10.2cm)만큼 압축되었을 때보다 높아진다.

누유 방지용으로 스프링 캐비티 내에 누유를 배출하기 위한 배수구가 설치되어 있습니다. 스프링 로드형 액큐뮬레이터는 유량 저장기(reservoir) 외부로 직접 배수해서는 안 되며, 그렇지 않으면 오일이 거품을 일으키게 됩니다. 배수관 끝이 유량 저장기의 유체 수위보다 위에 있든 아래에 있든, 작동 중에는 항상 거품이 발생합니다. 액큐뮬레이터가 유량을 급격히 출력할 때 피스톤 상부의 오일이 피스톤 이동 속도를 따라가지 못해 스프링 캐비티 내에 부분 진공이 형성되고, 이로 인해 오일에서 공기가 분리됩니다. 액큐뮬레이터가 재충전될 때 피스톤이 상승하면서 공기가 섞인 오일을 유량 저장기로 다시 밀어 넣습니다. 유량 저장기 내에 기포가 존재하는 것은 바람직하지 않으므로, 스프링 로드형 액큐뮬레이터는 일반적으로 외부 배수를 하지 않습니다.

외부 스프링 캐비티 배수 구조를 갖춘 스프링 로드형 액큐뮬레이터의 경우, 피스톤 실링이 마모되면 즉시 점검 및 조치가 필요합니다. 적시에 수리하지 않으면 전체 시스템 청소 작업이 필요할 수 있습니다.

그림 8-7 스프링 부하형 축적기. 피스톤이 상향 이동함에 따라 스프링 힘 — 즉 저장된 압력 — 이 증가한다. 소규모, 저압 시스템에 사용된다.

유체/가스 축적기

유체/가스 축적기는 산업용 유압 시스템에서 가장 일반적으로 사용되는 유형이다. 저장된 유압 오일에 작동력을 유지하기 위해 압축 가스를 사용한다.

유체/가스 축적기는 가스와 오일을 분리하는 데 사용되는 장치에 따라 피스톤식, 다이어프램식, 블래더식으로 구분된다.

피스톤식 축압기

피스톤식 축압기(piston-type accumulator)는 배럴과 탄성 밀봉 링이 장착된 이동식 피스톤으로 구성된다. 피스톤의 상부 공간에는 압축된 가스가 채워진다. 오일이 배럴에 주입되면 가스가 압축된다. 축압기에서 오일이 방출될 때, 가스 압력은 감소한다. 오일이 모두 방출되면 피스톤은 행정의 끝에 도달하여 출구 포트를 막아 축압기 내부에 가스를 유지한다.

디아프램식 축압기(diaphragm-type accumulator)

디아프램식 축압기(diaphragm-type accumulator)는 두 개의 금속 반구를 볼트로 결합하여 형성된 구형 구조물이다. 내부 공간은 합성 고무 디아프램에 의해 분리되며, 상부 챔버에는 가스가 채워진다. 압력 오일이 다른 챔버로 유입되면 가스가 압축된다. 오일이 모두 방출되면 디아프램이 출구 포트를 덮어 축압기 내부에 가스를 유지하며, 디아프램은 그 두께를 초과하여 밀려나지 않는다.

블래더식 축압기(bladder-type accumulator)

블래더형 어큐뮬레이터는 금속 쉘과 내부 합성 고무 블래더로 구성된다. 블래더에는 가스가 채워진다. 유압유가 쉘 내부로 유입되면, 블래더 내의 가스가 압축되고, 유압유는 쉘 외부로 배출된다. 모든 유압유가 배출된 후, 가스 압력이 블래더를 출구 포트를 통해 밀어내려고 하지만, 블래더가 출구부의 시트 밸브에 접촉하면 쉘 내부의 유압유가 자동으로 밀봉된다.

그림 8-8 세 가지 유체/가스 어큐뮬레이터 유형. 모두 압축된 질소를 사용하여 유압 에너지를 저장한다. 피스톤식(상단), 다이어프램식(중간), 블래더식(하단)은 가스와 유압유를 분리하는 방식에서 차이가 있다.

어큐뮬레이터 회로 응용 분야

어큐뮬레이터는 유압 시스템에서 유량 공급, 압력 유지, 충격 흡수 등 여러 기능을 수행할 수 있다.

유량 공급

축적기의 용도 중 하나는 유량 공급이다. 충전된 축적기는 유압 위치 에너지 원이다. 시스템이 펌프가 공급할 수 있는 유량보다 더 많은 유량을 필요로 할 때, 축적기에 저장된 에너지를 활용하여 시스템 유량을 생성할 수 있다. 예를 들어, 기계의 작동 주기 중 실제 작업 시간이 매우 짧도록 설계된 경우, 소용량 펌프가 일정 시간 동안 축적기를 충전할 수 있다. 기계가 작동할 때 방향 제어 밸브가 작동 위치로 이동하면, 축적기가 즉시 필요한 압력 오일을 액추에이터에 공급한다. 이러한 소형 펌프와 축적기를 함께 사용하는 방식은 피크 전력을 저장하는 방식이며, 즉, 단시간 내에 대유량/대출력을 제공하는 대형 펌프/모터를, 장기간에 걸쳐 평균화된 소형 펌프/모터로 대체하는 것이다.

압력 유지

축적기는 압력을 유지하는 데 사용될 수 있다. 펌프/모터가 시스템의 다른 부분에 유량을 출력하고 있을 때, 축적기는 회로의 한 분기에서 압력을 유지할 수 있다.

시스템이 클램프 실린더 A의 복귀를 요구할 때, 클램프 실린더 B는 압력을 유지해야 한다. 방향 제어 밸브 A가 작동함에 따라 유압 펌프 및 A 실린더 배관 내의 압력이 급격히 감소하지만, B 실린더는 이미 충분한 압력 오일을 저장해 놓은 어큐뮬레이터에 의해 압력이 유지되며, 이는 B 실린더 배관에서 발생하는 누출을 보상해 준다.

다른 응용 사례로, 용광로 근처에 설치된 작동 실린더는 고온 환경으로 인해 유체가 열팽창을 일으키는 경우이다. 어큐뮬레이터는 이러한 증가된 유체량을 흡수하여 압력을 상대적으로 일정하게 유지한다. 어큐뮬레이터가 없을 경우, 배관 내 압력 상승이 통제되지 않아 부품 하우징, 배관 또는 피팅의 파열을 유발할 수 있다.

그림 8-10 압력 유지용 어큐뮬레이터. (상단) 펌프가 다른 회로를 공급하는 동안 한 회로 분기부의 압력을 유지한다. (하단) 열원 근처에서 유체의 열팽창으로 인한 체적 변화를 흡수한다.

충격 흡수

유체/가스 액큐뮬레이터는 시스템 충격을 흡수하는 데에도 사용될 수 있습니다. 유압 시스템 내의 충격은 실린더나 모터에 연결된 부하의 관성, 급격한 유량 차단, 또는 유체 관성으로 인해 발생하는 방향 전환 밸브의 급격한 작동 등으로 인해 발생할 수 있습니다. 회로 내에 설치된 액큐뮬레이터는 이러한 충격의 일부를 흡수하여 전체 시스템으로의 전파를 방지할 수 있습니다.

외부 기계적 힘도 유압 충격을 유발할 수 있습니다. 반동 경향이 있는 부하가 유압 실린더에 연결된 경우, 피스톤이 되돌아 밀려 유압 충격이 발생합니다. 실린더 라인에 올바르게 충전된 액큐뮬레이터는 이러한 충격 효과를 줄이는 데 도움이 됩니다. 그러나 잘못 충전된 경우 과압을 유발하기도 합니다.

등온 충전 및 단열 충전

유체/가스 액큐뮬레이터는 압축된 가스를 사용하여 유압을 저장하므로, 가스의 특성이 액큐뮬레이터 성능에 영향을 미칩니다. 유체/가스 액큐뮬레이터를 충전할 때 가스가 압축되며 그 온도가 상승합니다. 일정한 압력에서 고온의 가스는 저온의 가스보다 더 큰 부피를 차지합니다.

등온 과정(isothermal process)은 가스 온도가 일정하게 유지되는 액큐뮬레이터 작동 상태를 설명합니다. 충전 중 등온 작동이란 압축으로 인해 발생하는 모든 열이 완전히 방산될 정도로 천천히 가스를 압축하는 것을 의미합니다. 단열 과정(adiabatic process)은 가스 온도가 변화하는 액큐뮬레이터 작동 상태를 설명합니다. 충전 중 단열 작동이란 압축으로 발생하는 모든 열이 보존될 정도로 매우 빠르게 가스를 압축하는 것을 의미합니다.

동일한 압력으로 충전된 유체/가스 액큐뮬레이터의 경우, 등온 과정이 단열 과정보다 더 많은 유체를 저장합니다.

수치 예시: 피스톤식 액큐뮬레이터의 초기 가스 압력은 500 psi(34.48 bar), 온도는 70°F(21°C)이다. 단열 과정(급속 충전)으로 1,000 psi(68.97 bar)까지 충전하면 온도와 압력이 함께 상승한다. 1,000 psi(68.97 bar)에 도달했을 때 오일 유입이 정지하며, 이때 온도는 150°F(65.6°C)이고 액큐뮬레이터는 135 in³(2,215.65 cm³)의 오일을 저장한다. 등온 과정(천천히 충전)으로 충전할 경우 전체 과정 동안 온도가 70°F(21°C)로 일정하게 유지되며, 1,000 psi(68.97 bar)에 도달했을 때 오일 유입이 정지하고 액큐뮬레이터는 150 in³(2,458.5 cm³)의 오일을 저장한다.

그림 8-12 등온 충전 대비 단열 충전. 동일한 최종 압력에서 천천히 이루어지는 등온 충전은 급속히 이루어지는 단열 충전보다 더 많은 오일을 저장할 수 있는데, 이는 온도가 낮게 유지되어 가스가 차지하는 부피가 작아지기 때문이다.

등온 및 단열 방전

오일 배출 중 가스가 팽창하면서 냉각된다. 일정 압력 하에서, 온도가 낮은 가스는 온도가 높은 가스보다 부피가 작아진다. 실제 적용에서는 축적기의 작동이 일반적으로 등온(isothermal)이 아니라 단열(adiabatic)이다. 다음 섹션에서는 축적기가 저장할 수 있는 오일의 양보다는, 압력이 더 낮은 수준으로 감소하기 전까지 축적기가 출력하는 오일의 양에 초점을 맞추며, 이 값은 프리차지 압력(precharge pressure)에 크게 영향을 받는다.

프리차지 압력

축적기가 오일을 완전히 비운 상태에서 유체/가스 축적기에 충전되는 가스의 압력이 바로 프리차지 압력이다. 이 압력은 축적기의 유효 용적 및 충격 흡수 성능에 상당한 영향을 미친다.

프리차지 압력이 유효 용적에 미치는 영향

유체/가스 액큐뮬레이터는 시스템 유량을 발생시키거나 압력을 유지하기 위해 일반적으로 최대 작동 압력과 최소 작동 압력 사이에서 작동합니다. 오일로 완전히 충전되었을 때 액큐뮬레이터는 최대 작동 압력에 도달합니다. 필요할 경우 작동 압력이 감소하면 액큐뮬레이터가 오일을 방출하여 더 낮은 최소 압력까지 내려갑니다. 최대 작동 압력과 최소 작동 압력 사이에서 액큐뮬레이터가 방출하는 오일의 부피가 유효 부피입니다.

프리차지 압력은 유효 부피에 영향을 미칩니다. 예시: 시스템 내 231 in³(3,786 cm³) 용량의 유체/가스 액큐뮬레이터는 소형 펌프를 사용하여 2,000 psi(137.9 bar)의 시스템 압력까지 오일을 충전합니다. 유량을 공급하기 위해 압력을 1,500 psi(103.4 bar)까지 낮추도록 허용합니다. 선택된 프리차지 압력에 따라 액큐뮬레이터가 시스템에 제공하는 오일의 양이 결정됩니다.

성능 표에 따르면, 231 in³(3,786 cm³) 용량의 액큐뮬레이터에서 100 psi(6.89 bar)의 프리차지 압력으로 등온 충전 시 1,000 psi에서 210 in³(3,441.9 cm³)의 오일을 저장할 수 있다(상한 = 등온 값). 1,500 psi(103.4 bar)에서는 202 in³(3,310.8 cm³)을 저장하며, 두 압력 사이에서 8 in³(131 cm³)의 오일을 공급한다. 이 낮은 프리차지 압력의 액큐뮬레이터는 많은 양의 오일을 저장하지만, 공급하는 오일의 양은 매우 적다.

프리차지 압력을 1,000 psi(68.96 bar)로 높이면, 액큐뮬레이터는 2,000 psi(137.9 bar)에서 93 in³(1,524.3 cm³), 1,500 psi(103.4 bar)에서 59.5 in³(975 cm³)의 오일을 저장하며, 두 압력 사이에서 33.5 in³(594.1 cm³)의 오일을 공급한다. 높은 프리차지 압력은 저장 가능한 오일의 총량은 줄지만, 공급 가능한 오일의 양은 훨씬 증가시킨다. 프리차지 압력을 1,400 psi(96.6 bar)로 설정하면 저장되는 오일의 양은 최소가 되고, 공급되는 오일의 양은 최대가 된다.

그림 8-13 액큐뮬레이터 성능 표(231 in³ 용량). 높은 프리차지 압력은 주어진 압력 범위 내에서 사이클당 더 많은 오일을 공급하지만, 저장 가능한 총 오일량은 감소한다. 프리차지를 선택할 때는 총 용량이 아니라 요구되는 유효 용량을 기준으로 결정해야 한다.

유효 용적 출력 제어

축압기의 유효 용적 출력은 유량에 의해 제어되어야 한다. 압력 유지의 경우, 제어된 유량은 보상이 필요한 누출량에 의해 결정된다. 압력 오일을 공급하기 위해 사용되는 축압기의 경우, 하류 측 방향 제어 밸브가 작동할 때 유효 용적 출력이 지나치게 빨라진다. 이 때문에 이러한 축압기에는 일반적으로 입구/출구 포트에 유량 제어 밸브와 바이패스 체크 밸브가 설치된다.

유체/기체 축압기를 충격 흡수 장치로 사용할 경우, 프리차지 압력은 일반적으로 회로 내 최대 작동 압력보다 약간 높게 설정되며(릴리프 밸브 설정 압력보다 약 100 psi / 6.896 bar 높게 설정), 최대 작동 압력이 릴리프 밸브에 의해 설정되는 경우 프리차지 압력은 릴리프 밸브 설정 압력보다 약 100 psi 높게 설정할 수 있다.

프리차지가 충격 흡수 성능에 미치는 영향

유체/가스 액큐뮬레이터의 프리차지 압력은 충격 흡수 능력에 영향을 미칩니다. 유압 시스템에서 충격은 실린더 또는 모터에 작용하는 외부 기계적 힘으로 인해 급격한 압력 상승이 발생하거나, 유압 밸브가 갑자기 닫힐 때 유체의 관성으로 인해 발생합니다.

액큐뮬레이터는 압축 및 전달이 가능한 충격 압력 유체의 일부를 흡수할 수 있습니다. 액큐뮬레이터가 설치된 배관은 특정 압력 이상에서 압축성이 생깁니다. 프리차지 압력이 너무 낮으면 충격이 도달하기 전에 이미 일부 유체를 저장하고 있으므로, 최대 4 in³(65.6 cm³)만 흡수할 수 있습니다. 반면 프리차지 압력이 2,500 psi(172.4 bar)로 지나치게 높으면, 4 in³을 흡수하기 전에 압력이 거의 2,800 psi(193 bar)까지 상승합니다. 충격 흡수 장치의 경우, 프리차지 압력은 매우 중요합니다.

프리차지 압력 손실

유체/가스 액큐뮬레이터는 적절한 프리차지 압력으로 가스를 한 번만 충전합니다. 이는 동일한 프리차지 압력을 무기한 유지할 수 없음을 의미합니다. 액큐뮬레이터가 작동할 때, 압축된 가스가 가스 밸브를 통해 누출될 수 있습니다 — 이는 가스 밸브 고장 또는 밀봉 불량, 혹은 원추형 밸브 코어가 밸브 시트에 제대로 밀착되지 않는 문제로 인해 발생할 수 있습니다. 블래더 및 다이어프램 액큐뮬레이터의 경우, 유체(오일) 배출 중 가스 압력이 점진적으로 감소하며, 이는 일반적으로 급격하게 발생하여 합성 고무 다이어프램 소재가 파손되는 원인이 됩니다. 피스톤 액큐뮬레이터의 경우, 배출 과정에서 충전된 가스가 마모된 실링을 지나 피스톤 영역에서 누출될 수 있습니다. 프리차지 압력의 점진적 감소는 어느 정도 마모가 진행된 피스톤식 액큐뮬레이터를 나타낼 수 있습니다.

프리차지 압력 점검

정확한 프리차지 압력은 유체/가스 액큐뮬레이터의 성능에 매우 중요하므로 정기적으로 점검해야 합니다. 프리차지 압력을 점검하려면 압력 게이지가 장착된 충전 장치가 필요합니다. 이 장치는 주로 충전 척, 블리드 밸브, 압력 게이지로 구성됩니다.

점검 절차: 액큐뮬레이터 내의 모든 오일을 배출한 후 보호 캡을 제거합니다(보통 상부의 가스 밸브에 장착되어 있음). 척 핸들을 완전히 당긴 상태에서 블리드 밸브가 닫혀 있는지 확인합니다. 충전 척을 액큐뮬레이터의 가스 밸브에 연결하고, 척 윙 너트를 조여 가스 밸브와의 신뢰성 있는 연결을 확보합니다. 척 나사를 돌려 액큐뮬레이터 가스 밸브 코어를 완전히 누른 후 게이지 압력을 읽습니다 — 이 값이 바로 액큐뮬레이터의 프리차지 압력입니다.

프리차지가 정확하면, 척 핸들을 시계 방향으로 돌려 액큐뮬레이터 가스 밸브를 닫고, 블리드 밸브를 열어 충전 장치의 압력을 해제한 후, 척 윙 너트를 풀고 장치를 액큐뮬레이터에서 제거한 다음, 가스 밸브 보호 캡을 재설치합니다.

프리차지가 과도하게 높은 경우, 배출 밸브를 열어 과도한 압력을 방출하십시오. 프리차지를 증가시켜야 할 경우, 먼저 척 핸들을 당겨 액큐뮬레이터 가스 밸브를 닫고, 배출 밸브를 열어 충전 장치의 압력을 해제한 후 배출 밸브를 닫습니다. 그 다음 충전 장치를 질소 실린더에 연결합니다. 척 핸들을 회전시켜 액큐뮬레이터 가스 밸브 코어를 완전히 누르고, 질소 실린더 밸브를 개방하여 가스가 액큐뮬레이터로 서서히 유입되도록 합니다. 게이지가 원하는 압력을 나타내면 가스 밸브를 닫으십시오. 게이지가 올바른 프리차지 압력을 나타내면 질소 실린더 밸브를 닫고, 척 핸들을 당겨 액큐뮬레이터 가스 밸브를 닫은 후 배출 밸브를 엽니다. 그런 다음 유연한 충전 호스와 충전 장치를 분리하십시오.

그림 8-15 액큐뮬레이터 프리차지 점검 및 설정. (상단) 마모된 피스톤 실링으로 인해 프리차지가 점진적으로 감소합니다. (하단) 표준 질소 충전 키트 — 항상 건조한 질소를 사용하고, 절대 압축 공기를 사용하지 마십시오.

축적기 회로에서 유압 펌프의 언로딩

축적기가 완전히 충전되어 있고 시스템의 어느 부분도 작동하지 않을 때, 일반적인 축적기 유압 회로에서는 펌프/모터 유량을 가능한 한 낮은 압력으로 저수조로 언로딩해야 합니다. 도시된 회로에서는 언로딩을 위해 덤프 밸브가 사용됩니다. 축적기가 덤프 밸브의 설정 압력까지 충전되면, 덤프 밸브가 개방되어 펌프 유량을 저수조로 유도합니다.

일반적으로 이 유형의 언로딩은 몇 초밖에 지속되지 않는데, 이는 체크 밸브 하류 쪽에서 항상 일부 누출이 발생하기 때문입니다. 축적기는 이러한 누출을 보상해야 하며, 따라서 압력이 서서히 감소하고, 덤프 밸브는 점차 닫히며, 저수조로 연결되는 개구부는 점점 더 작아지다가, 결국 축적기 압력이 밸브 개방 압력 이하로 떨어지게 됩니다. 밸브가 닫히면서 펌프/모터는 축적기를 다시 덤프 밸브의 설정 압력까지 재충전하기 위해 더 많은 동력을 생성해야 합니다.

축적기 충전 전에 펌프/모터가 완전히 언로드되도록 하기 위해 압력 스위치를 사용할 수 있습니다. 회로에서 압력 스위치는 축적기의 압력을 감지하여 설정된 압력 값에서 전기적 스위칭 신호를 출력합니다. 이 전기 신호는 정상적으로 닫혀 있는 2방향 솔레노이드 밸브로 전달되며, 이 솔레노이드 밸브는 피лот 작동식 안전밸브를 제어하여 언로드를 수행합니다. 축적기의 압력이 압력 스위치의 설정값에 도달하면, 릴레이가 솔레노이드 밸브에 신호를 보내 안전밸브를 언로드시키고, 펌프/모터 유량을 안전밸브를 통해 저수조로 유도합니다.

그림 8-16 축적기 언로딩 회로. (상단) 단순 덤프 밸브 — 축적기 압력이 설정 압력에 도달하면 탱크로 언로드되지만, 주기적인 작동 경향이 있음. (하단) 피лот 안전밸브와 결합된 압력 스위치 — 완전한 언로딩과 정밀한 압력 대역 제어를 보장함.

차압식 언로딩 밸브

축적기 충전 후, 차압 언로딩 밸브를 압력 스위치 및 솔레노이드 밸브 대신 사용하여 릴리프 밸브를 해제하고 펌프/모터를 언로드할 수 있습니다. 차압 언로딩 밸브는 축적기 응용을 위해 특별히 설계된 유압 밸브입니다. 이름에서 알 수 있듯이, 이 밸브는 압력 차를 이용하여 펌프/모터를 언로드합니다.

건설

차압 언로딩 밸브는 하나의 밸브 본체 내에 피롯 작동식 릴리프 밸브, 체크 밸브, 그리고 차동 피스톤으로 구성됩니다. 밸브 본체에는 압력 포트, 반환 포트, 축적기 포트의 세 개 포트가 있습니다.

작동 방식

차압 언로딩 밸브 내부에서 체크 밸브와 피롯 작동식 릴리프 밸브가 정상적으로 작동합니다. 펌프의 출력 유량은 체크 밸브를 통해 액큐뮬레이터에 충전될 수 있습니다. 차압 피스톤은 피롯 릴리프 밸브 스풀과 정반대 위치에 있으며, 그 보어 내에서 자유롭게 이동할 수 있습니다. 피스톤의 양단은 동일한 압력 작용 면적에 노출되어 있습니다. 액큐뮬레이터 충전 중에는 피스톤 양측의 압력이 거의 동일하게 유지되며(체크 밸브 통과 시 발생하는 압력 강하를 무시함), 따라서 피스톤은 이동하지 않습니다. 피롯 밸브 스풀에 작용하는 압력이 충분히 커지면 피롯 스풀이 시트에서 밀려 나갑니다. 이미 알려진 바에 따르면, 이러한 피롯 스풀의 움직임은 메인 밸브 스프링 캐비티 내 압력을 제한할 수 있습니다. 메인 밸브 스프링 캐비티와 차압 피스톤의 한쪽 끝이 압력 제한 상태에 놓이게 되면, 피스톤은 피롯 밸브 스풀 쪽으로 이동하여 피롯 스풀을 완전히 시트에서 분리시킵니다. 이로 인해 메인 스풀 스프링 캐비티 상의 제어 압력이 해제되고, 릴리프 밸브가 언로딩되며, 펌프/모터도 언로딩됩니다. 동시에 체크 밸브는 닫혀 액큐뮬레이터 내 유류가 릴리프 밸브를 통해 방출되지 않도록 막습니다.

압력을 받는 차동 피스톤의 면적은 피로트 밸브 스풀의 면적보다 15% 더 크다. 힘 = 압력 × 면적이므로, 피로트 스풀을 시트에서 떼어 놓는 힘은 피로트 스풀을 들어 올리는 힘보다 15% 더 크다. 이는 피로트 스풀을 다시 시트에 재설정하려면 스프링이 다른 곳에서 추가로 15% 이상의 힘을 받아야 한다는 것을 의미한다 — 또는 피로트 스풀이 재설정되기 전에 시스템 압력이 15% 감소해야 한다.

이로 인해 차동 압력 언로딩 밸브는 축적기 충전 후에도 펌프/모터를 언로드된 상태로 유지하며, 압력이 고정된 비율(일반적으로 피로트 밸브 설정값의 약 15%)만큼 감소할 때까지 이 상태가 지속된다. 예를 들어, 피로트 밸브가 1,000 psi(69 bar)로 설정된 경우, 언로딩은 1,000 psi(69 bar)에서 850 psi(59 bar) 사이에서 발생하며, 피로트 밸브가 2,000 psi(138 bar)로 설정된 경우에는 2,000 psi(138 bar)에서 1,700 psi(117 bar) 사이에서 언로딩이 발생한다.

유압 실린더 — 상세한 구조 및 작동 원리

어떤 응용 분야에서든 유압 작동 에너지가 유용한 일을 하기 위해서는 기계적 에너지로 변환되어야 한다. 유압 실린더는 유압 에너지를 직선 운동 형태의 기계적 에너지로 변환한다.

실린더 구조

유압 실린더는 실린더 본체(barrel), 유연한 밀봉 링(sealing rings)이 부착된 이동식 피스톤(piston) 및 피스톤 로드(piston rod)로 구성되며, 두 개의 끝캡(end caps)으로 마감된다. 끝캡은 나사식(threaded), 플랜지식(flanged), 드로운오버식(drawn-over), 또는 용접식(welded)으로 실린더 본체에 고정될 수 있다. 산업용 유압 실린더에서는 일반적으로 볼트로 고정하는 로드 엔드 연결 방식(bolted rod-end connections)을 사용한다. 피스톤 로드가 움직일 때, 이를 피스톤 로드 밀봉 키트(piston rod seal kit) 또는 피스톤 로드를 안내하고 지지하는 탈부착식 가이드 링(detachable guide ring)이라고 한다.

피스톤 로드가 있는 쪽 끝을 '로드 엔드(rod end)'라고 하며, 로드가 없는 반대쪽 끝은 '블라인드 엔드(blind end)'라고 한다. 유입 및 유출 포트(inlet and outlet ports)는 로드 엔드 캡과 블라인드 엔드 캡에 위치한다.

시일

정상 작동을 위해서는 유압 실린더의 피스톤 및 피스톤 로드 가이드 씰이 신뢰성 있는 밀봉 성능을 가져야 합니다. 유압 실린더 피스톤에 일반적으로 사용되는 씰은 립 씰(lip seal), 주철 피스톤 링(cast iron piston ring), 또는 단일/양방향 씰 유닛(single/double-direction seal unit)입니다. 씰 재료 및 구성 부품은 작동 유체 및 작동 조건과 호환되는지 반드시 확인해야 합니다.

피스톤 로드 다중층 씰(piston rod multi-layer seal)은 효과적인 피스톤 로드 씰 방식으로, 내측 표면이 립 형상(lip-shaped)인 메인 씰(main seal), 작동 중 지속적으로 피스톤 로드 표면에 접촉하여 피스톤 로드 표면의 작동 유류를 제거하는 와이퍼(wiper), 메인 씰이 남긴 잔여 유류를 수집하는 보조 먼지 씰(secondary dust seal)로 구성됩니다. 또한 피스톤 로드가 수축될 때 피스톤 로드에 붙어 있는 이물질을 제거합니다.

씰 캐비티 배수

위에서 설명한 바와 같이, 메인 실링과 더스트 실링 사이의 캐비티에 축적된 오일은 복귀 작동 중 실린더 보어로 다시 유입될 수 있으며, 이는 정상적인 현상입니다. 그러나 실린더 스토크가 특히 길 경우(10피트/3.05미터 이상), 실링 캐비티에 축적된 오일의 양이 피스톤 로드 실링의 용량을 초과할 수 있습니다. 이러한 상황에서 실링 캐비티에 과도한 오일이 존재할 경우, 피스톤 로드 실링 캐비티에는 외부 배출 연결부를 설치해야 합니다.

그림 8-18 실린더 구조 세부 사항. 로드 엔드 캡에는 피스톤 로드 실링 어셈블리가 포함되어 있습니다. 장거리 스토크 실린더의 경우, 실링이 오일에 의해 압도되는 것을 방지하기 위해 배출 포트가 추가됩니다.

유압 충격

유압 에너지가 실린더 피스톤을 스토크 종단(실린더 이동의 종단)으로 구동할 때, 오일의 관성으로 인해 충격이 발생하며, 이를 일명 "유압 충격"이라고 합니다. 이 충격 에너지가 충분히 크면 유압 실린더에 손상을 줄 수 있습니다.

쿠션 장치

과도한 충격으로부터 유압 실린더를 보호하기 위해 쿠션 장치를 설치할 수 있습니다. 쿠션 장치는 피스톤이 스트로크의 종단부에 도달할 때 그 속도를 감속시킬 수 있습니다. 쿠션 장치는 유압 실린더의 한쪽 끝 또는 양쪽 끝에 모두 설치할 수 있습니다.

쿠션 장치 구조

쿠션 장치는 피스톤의 맹목적(블라인드) 끝에 설치된 유량 조절용 니들 밸브와 쿠션 스페어, 그리고 피스톤 로드에 설치된 쿠션 슬리브로 구성됩니다. 이러한 부품들은 각 끝에서 플러그 역할을 합니다.

쿠션 작동 원리

유압 실린더 피스톤이 스트로크 종단에 접근할 때, 쿠션 스페어 또는 쿠션 슬리브가 일반적인 유출구를 차단합니다. 이로 인해 유체는 니들 밸브를 통해서만 흐르게 됩니다. 안전밸브 설정 압력의 일부 유압이 니들 밸브를 통해 누출됩니다. 니들 밸브를 통과하는 나머지 유량은 실린더의 감속률을 결정합니다. 니들 밸브 조정은 피스톤의 감속률을 결정합니다. 복귀 스트로크에서는 유체가 단일 체크 밸브(도시하지 않음)를 통해 실린더로 유입되어 니들 밸브를 우회하므로 역방향 속도에는 영향을 주지 않습니다.

스트로크 조정

때때로 유압 실린더의 스트로크 길이는 외부 제어에 의해 제한되어야 할 수 있습니다. 실린더 바렐에 삽입 및 분리가 가능한 정지 나사를 설치함으로써 스트로크를 사전 조정할 수 있습니다. 모든 유형의 스트로크 조정 장치는 정지력, 충돌, 충격 및 치수적 영향에 대한 요구사항을 충족하는지 반드시 검증되어야 합니다.

그림 8-19 실린더 완충장치, 스트로크 조정기, 장착 방식 및 부하 유형. 완충장치는 실린더의 스트로크 종료 시 실린더를 보호하며, 장착 방식은 실린더가 부하를 얼마나 잘 견딜 수 있는지를 결정한다.

유압 실린더 장착 방식

유압 실린더는 플랜지, 트러니언, 측면 럭 마운트, 중심선 나사, 이중 럭 링, 타이로드 및 용접 마운트 등 다양한 장착 방식을 갖추고 있다. 중심 럭 마운트 또는 용접 마운트는 실린더 작동 시 최소한의 편심을 유발하므로 매우 우수한 설계이다.

기계적 운동

유압 실린더는 유압 에너지를 직선 또는 선형 기계적 운동으로 변환할 수 있다. 그러나 기계적 연결 장치의 선택에 따라 실린더는 다양한 유형의 기계적 운동을 제공할 수도 있다.

부하 유형

유압 실린더는 여러 응용 분야에서 다양한 유형의 부하를 이동시킬 수 있다. 일반적으로 피스톤 로드에 의해 밀리는 부하는 '푸시 부하'라 하며, 피스톤 로드에 의해 당겨지는 부하는 '풀 부하'라 한다.

스톱 튜브

스톱 튜브는 피스톤 로드에 장착된 고체 금속 슬리브이다. 장행정 실린더의 피스톤 로드가 완전히 신장되었을 때, 스톱 튜브는 피스톤과 가이드 슬리브 사이를 일정 거리만큼 분리한다. 피스톤 로드 가이드 슬리브는 실린더 작동 중 피스톤 로드를 지지하는 베어링으로, 일정 하중을 지탱하도록 설계되어 있다. 피스톤 로드 가이드 슬리브는 축(shaf) 역할을 할 뿐만 아니라 피스톤 로드의 하중 지점(load point)이기도 하다. 하중에 연결된 장행정 실린더의 경우, 강성 가이드가 없는 피스톤 로드는 완전히 신장되었을 때 처짐(droop)이 발생하거나, 가이드 슬리브 부위에서 휨(bending)이 일어나 측면 하중(side load)이 발생하여 피스톤 로드 가이드 슬리브를 손상시킬 수 있다.

스톱 튜브의 기능은 피스톤 로드가 완전히 신장되었을 때 피스톤과 가이드 슬리브 사이를 일정 거리만큼 분리함으로써 피스톤 로드 가이드 슬리브에 가해지는 하중을 줄이는 것이다.

실린더 종류

유압 실린더는 다양한 종류가 있다. 아래에는 일반적으로 사용되는 실린더 종류 몇 가지를 소개하며, 이후 강의에서 특정 응용 회로에 이들 실린더 종류가 등장하기도 한다.

• 단일로드 실린더: 실린더의 피스톤 로드가 한쪽 끝에서만 연장된다.
• 쌍로드 실린더: 실린더에는 하나의 피스톤이 있으며, 피스톤 로드가 양쪽 끝에서 모두 연장된다.
• 양동작 실린더: 이 유형에서는 유압이 실린더 피스톤의 양측에 번갈아 작용하여 피스톤 로드가 신장 및 수축한다.
• 텔레스코픽 실린더: 실린더 배럴이 여러 개의 텔레스코픽 섹션으로 구성되어 짧은 수축 길이에서 긴 스트로크를 제공할 수 있다.
• 탄데믹 실린더: 실린더는 직렬로 연결된 두 개 이상의 실린더로 구성되며, 피스톤 로드들이 서로 연결되어 공통의 피스톤 로드를 형성한다. 피스톤 로드 씰은 실린더들 사이에 설치되어 각 실린더가 양동작 방식으로 작동할 수 있도록 한다.
• 듀플렉스 실린더: 실린더는 최소 두 개의 배럴로 구성되어 각 실린더가 양동작 방식으로 작동할 수 있다.

그림 8-20 유압 실린더 유형. 각 유형은 특정 용도에 적합하도록 설계되었으며, 제한된 공간에서 긴 스트로크를 필요로 할 경우 텔레스코픽 실린더를, 제한된 보어 지름에서 높은 힘을 필요로 할 경우 탠덤 실린더를, 양방향에서 동일한 힘/속도를 요구할 경우 더블-로드 실린더를 사용한다.

양동작 싱글-로드 실린더 작동

산업용 유압 시스템에서 가장 일반적으로 사용되는 유형은 양동작 싱글-로드 실린더이다. 이 유형의 경우 주요 고려 사항은 허용 유량(gpm) 및 압력(psi), 그리고 변환된 기계적 힘과 피스톤 로드의 움직임이다.

피스톤 면적 및 유효 피스톤 면적

피스톤 면적 및 유효 피스톤 면적은 일반적으로 양동작 싱글-로드 실린더에 대해 논의된다. 큰 피스톤 면적은 실린더의 맹목 측(로드가 없는 측)에서 압력을 받는 피스톤 전체 단면적을 의미한다. 반면, 작은 유효 면적(환형 면적)은 로드 측에서 압력을 받는 피스톤 면적을 의미하며, 이는 피스톤 로드가 일부 피스톤 면적을 차지하기 때문이다. 따라서 작은 유효 면적은 일반적으로 큰 면적보다 작다.

피스톤 로드 신장 속도

유압 실린더 피스톤 로드의 신장 속도는 유체가 실린더 블라인드 엔드(무지부)를 채우는 속도에 의해 결정됩니다. 피스톤 로드 속도는 일반적으로 ft/min 또는 m/min으로 표현됩니다.

예시: 피스톤 면적이 10 in²(64.5 cm²)인 실린더에 유량 5 gpm(18.95 Lpm)이 공급되는 경우, 로드 속도 = (5 × 19.25) ÷ 10 = 9.63 ft/min(49 mm/s)입니다. 유량을 2배로 증가시킬 경우(10 gpm / 37.9 Lpm), 로드 속도도 2배로 증가하여 19.25 ft/min(97.33 mm/s)이 됩니다.

피스톤 로드 수축 속도

피스톤 로드 수축 시 유량은 로드 엔드로 유입됩니다. 동일한 입력 유량에서 수축 속도는 신장 속도보다 빠르며, 이때는 공식에 소형(환형) 피스톤 면적을 사용합니다.

예시: 10 gpm(38 L/min)의 유량이 대면적 10 in²(65 cm²) 및 소면적 8 in²(52 cm²)을 갖는 실린더의 로드 측 끝단으로 유입됩니다. 수축 속도 = (10 × 19.25) ÷ 8 = 24.06 ft/min(0.12 m/s).

동일한 입력 유량 조건에서, 양동작 단일로드 실린더는 신장보다 수축 시 더 빠른 속도를 나타냅니다.

수축 중 배출 유량

수축 중 유량은 로드 측 끝단으로 유입되고 맹목 측 끝단에서 배출됩니다. 배출 유량은 입력 유량보다 큽니다 — 이는 gpm(L/min) 계산에 사용되는 동일한 공식을 적용하되, 피스톤의 대면적을 사용하여 계산할 수 있습니다. 예시: 로드 측 끝단으로 10 gpm가 유입되고 수축 속도가 24.06 ft/min인 경우, 배출 유량 = (24.06 × 10) ÷ 19.25 = 12.5 gpm(46 L/min).

실린더 출력 힘에 영향을 주는 요인

그림과 같이, 유압 실린더가 발생시키는 힘은 실린더 피스톤 면적에 작용하는 유압에 따라 달라진다. 특정 실린더가 현재 최대 출력 힘보다 더 큰 힘을 발생시켜야 하는 경우, 일반적으로 압력을 비례적으로 높이는 방식으로 해결한다. 일부 상황에서는 시스템 압력 및 실린더 크기로 인해 더 큰 실린더를 사용할 수 없는데, 이때 탠덤 실린더(tandem cylinder)를 사용하면 문제를 해결할 수 있다.

탠덤 실린더 회로

탠덤 실린더는 직렬로 연결된 두 개 이상의 실린더로 구성된다. 피스톤 로드가 서로 연결되어 하나의 공통 피스톤 로드를 형성한다. 실린더 사이에 위치한 피스톤 로드 씰(seal)을 통해 각 실린더가 양동작(double-acting) 방식으로 작동할 수 있다. 공간 제약 및 기계 크기로 인해 실린더 크기가 제한되더라도, 펌프/모터에서 발생하는 압력이 비교적 낮은 경우에도 동일한 기계적 출력 힘을 얻을 수 있다.

예시: 최대 기계 설치 크기에서는 피스톤 면적이 10 in²(64.5 cm²)까지 가능합니다. 부하 저항을 극복하기 위한 최대 압력은 단지 500 psi(34.48 bar)입니다. 유효 면적 8 in²(51.6 cm²) 측에 500 psi(34.48 bar)의 압력을 가하고 배압을 적용하면 781 psi(53.86 bar)의 힘이 발생합니다. 두 개의 실린더로 구성된 탠덤 회로에서 각 실린더의 피스톤 면적이 10 in², 유효 면적이 8 in²이며 압력이 각각 500 psi(34.48 bar)일 경우, 전체 출력은 훨씬 더 커집니다.