유압시스템 모델링 방법

유압시스템 모델링

유압장치의 구성은 주요부의 유압펌프, 유압제어 밸브, 유압활동기로 구성된다, 보조기기는 유압탱크, 오일냉각기, 배관, 축압기 등이 있다.

 

유압 시스템 주요기기

① 유압펌프

심장부 역할을 하며, 유압에너지의 발생 원인은 회전에너지를 유압에너지로 변환시키는 에너지 변환의 일종이다

 

② 제어밸브

유압장치의 내장 역할을 하며, 유압펌프 근처에 설치되어 최고유압을 제어하며 유압회로내의 유압을 유지시켜 힘의 크기를 결정한다.

 

③ 유압활동기 (액츄에이터)

압력에너지를 기계적에너지로 변환시키는 장치로 유체의 압력에너지를 회전운동으로 변환시키는 유압모터와 압력에너지를 직선운동으로 변환시키는 유압실린더가 있다

 

<부속기기>

- 기름탱크 : 작동유체의 저장소

- 필터 : 기름에 저장된 고형 물질 및 먼지를 제거

- 관 : 유압유의 운송

- 축압기 : 작동유체를 에너지원으로 사용하기 위해 가압된 상태로 축적

- 기름냉각기 : 유압유를 냉각시키기 위한 장치

 

2. 공동현상이란?

공동현상(cavitation)은 작동유의 압력이 포화증기압 이하로 내려가서 기름이 증발, 기포가 발생되는 현상. 유체의 속도 변화에 의한 압력변화로 인해 유체 내에 공동이 생기는 현상을 말한다.

 

공동현상은 빠른 속도로 액체가 운동할 때 액체의 압력이 증기압 이하로 낮아져서 액체 내에 증기 기포가 발생하는 현상이다. 증기 기포가 벽에 닿으면 부식이나 소음 등이 발생하므로 설계자는 공동현상을 피하도록 설계해야 한다.

 

공동현상이란 문자 그대로 인해하면 물속에 빈곳(공동, cavity)이 생긴다는 뜻이다. 이렇게 부르는 것은 물과 수증기의 밀도의 비가 약 1000:1인 것을 감안할 때 공동의 내부는 역학적 관점에서 상대적으로 빈곳이라고 부를 수 있기 때문이다.

 

 공동은 유체의 속도가 빨라지면 관내의 압력이 낮아지고 유체의 압력이 포화 수증기압 이하로 낮아지게 되어 액체가 기체로 바뀌기 때문에 발생한다. 이 현상은 관내 유로의 직경이 바뀌는 노즐에서 실험적으로 쉽게 확인할 수 있다.

 

그런데 유체의 속도가 빨라짐으로 인해 발생한 기포가 다시 유체의 압력이 포화수증기압보다 높아질 경우 급격히 액체로 변하게 되는데, 그로 인해 높아진 압력에 의해 배의 프로펠러나 펌프의 임펠러 등에 충격을 주며 소음과 진동 및 마모 현상을 야기한다.

 

이러한 현상을 캐비테이션 부식, 캐비테이션 손상이라고도 한다. 즉 한 줄로 요약하자면, 공동현상이란 일정하게 흐르는 유체의 일부분에서 압력이 낮아지면서 액체 상태의 유체가 기체가 되면서 설계 상태에서 예측하지 않았던 비정상상태의 유체가 흐르는 것임.

 

그래서 유체 내 밀도가 달라지면서 유체 내 분자들의 힘의 방향 자체가 달라지면서 유동이 거칠어지고 소음, 충격 등을 수반합니다.

 

공동현상 방지책은 공동현상의 발생 없이 펌프를 안전하게 운전하기 위해서는 펌프 입구 직전에서의 전압력을 액체의 포화증기압 보다 높게 운전할 필요가 있어야 한다.

 

- 펌프의 설치 높이를 가능한 한 낮춘다.

- 흡입측의 손실을 가능한 한 크게 한다.

- 흡입 수위를 높힌다

- 펌프의 회전수를 낮춘다.

- 동일한 회전수와 토출양에서는 양흡입펌프가 유리하다.

 

3. 유압펌프의 정의 및 종류

유압펌프는 전동기나 엔진 등에 의해 얻어진 기계에너지를 유압에너지로 바꾸는 장치(유압발생장치)이다. 유압펌프가 펌핑작용을 함으로써 유압유를 흡입하고, 이것에 에너지를 가하여 높은 유압유를 보내어 외부에 일을 하고, 유압유는 저에너지로 되어 귀환된다.

 

기어펌프

기어펌프(외접식과 내접식)는 구조가 소형이며, 간단하고 가격이 저렴하다. 또한, 내구성이 있고 성능도 우수하다. 베인펌프나 피스톤펌프에 비하여 부품수가 적고, 과격한 운전조건에도 잘 견뎌 용도가 넓다. 그러나 가변용량이 곤란하며, 축에 횡하중이 걸리기 때문에 누설이 많아 최고 압력이 약 7MPa 이하이다. 기어펌프는 각종 건설차량, 산업건설기계, 산업차량, 콤바인 등에 사용된다.

 

장점은 구조가 간단하여, 소형, 경량으로 가격이 저렴하다. 가혹한 운전상태에 대해서도 견딜 수 있으며, 특히 건설기계, 산업차량, 농업기계 등에서 유압 구동에 적합하다. 고속회전하여 흡입능력이 크다.

 

단점은 고속회전에 의해 흡입구에 캐비테이션이 발생이 쉽다. 기어의 물림에 의해 토출 될 때 맥동이 발생한다. 기어의 맞물림 부분에 폐입현상이 발생 충격압이 발생된다.

 

※ 폐입현상 : 두 개의 기어가 물리기 시작하여 끝날 때 까지 둘러싸인 공간에 흡입측이나 토출측에 통하지 않는 상태의 용적이 생길 때의 현상. 공동현상이 함께 발생한다. 방지책으로 릴리프홈이 적용된 기어를 사용한다. 기어사이의 홈에 유압유가 끼어서 빠져나가지 못해 상대적으로 고압이 되어(압축된 상태) 기어의 물림이 끝날 때 충격과 소음이 발생한다. 

베인펌프

베인펌프(정용량형과 가변용량형)는 용적식 펌프의 일종으로써 펌프 실내는 측판으로 둘러싸여 있고, 회전에 의한 베인, 회전자, 캠에 의한 용적 변화로 펌핑작용을 한다.

 

회전자(回轉子:rotor) 부분이 들어 있는 케이싱 속에 여러 장의 날개(베인)를 설치하여 회전시켜 유체를 흡입하고 송출하는 펌프이다. 베인펌프는 공작기계, 프레스, 사출성형기계 등에 사용된다.

 

회전자의 장점은 송출압력의 맥동이 적다. 그리고 깃의 마모에 의한 압력저하가 일어나지 않는다, 고장이 적고 보수가 용이하다, 소음이 적다, 기동토크가 작다, 가변용량이 가능하다. 구조가 간단하고 값이 싸며 고장이 비교적 작다.

 

단점은 접촉활동을 하기 때문에 가공정밀도가 높아야 한다, 유압유의 점도에 제한이 있다, 기름의 보수에 주의가 필요하다, 베인수명이 짧다. 부품수가 많다.

 

피스톤 펌프는 왕복 펌프의 하나로 피스톤의 전후에서 흡입, 토출이 이루어지는 복동이다. 로드의 직경이 크며 고온 물질, 고압 폴리에틸렌의 촉매 주입 등에 사용된다.

 

장점은 펌프 중 전체 효율이 가장 좋다. 수명이 길다, 가변용량이 가능하다, 대용량이며 송출압이 210[kg/cm2]이상으로 고압용에 사용된다, 피스톤의 왕복운동으로 펌프작용을 한다. 단점은 소음이 다른 펌프보다 크다, 구조가 복잡하다.