유압과 유압

제어 밸브 유압의 개요

유압(oil hydraulics)이란 유압펌프에 의하여 동력의 기계적 에너지를 유체의 압력 에너지로 바꾸어 유체 에너지에 압력, 유량, 방향의 기본적인 3가지 제어를 하여

유압 실린더나 유압 모터 등의 작동기를 작동시킨 후 다시 기계적 에너지로 바꾸는 역할을 하는 것이며, 동력의 변환이나 전달을 하는 장치 또는 방식을 말한다.

유압 장치의 기본적인 구성

1. 유압 펌프 유압을 발생시키는 부분으로서 구조에 따라 회전식과 왕복식이 있으며, 기능에 따라서는 정용량형과 가변 용량형으로 구분된다.

2. 유압 제어 밸브 제어하는 종류에 따라 압력 제어 밸브, 유량 제어 밸브, 방향 제어 밸브 등이 있다.

3. 작동기 액추에이터라고도 하며, 유압 실린더와 유압 모터 등이 있다.

4. 부속기기 기타의 기기를 말하며, 기름 탱크, 필터, 압력계, 배관 등이 있다.

기초 이론

1. 압력과 힘의 관계 유압에서 사용하는 압력이란 물체의 단위 면적[㎠]에 가해진 힘[kgf]의 크기이며, [kgf/㎠]로 나타낸다.

즉, 가해지는 힘[kgf]을 그 힘을 받는 면적으로 나눈 것이다. 왼쪽의 피스톤이 누르는 힘을 F[kgf], 피스톤의 단면적을 A[㎠]라고 하면

내부에 발생하는 압력 P는 P=F/A[kgf/㎠]가 되며, 이 압력이 배관을 통하여 단면적 B[㎠]의 피스톤 밑면에 파스칼의 원리에 의하여 전달된다.

이 P라는 압력은 하중 W와 평행되는 관계로 W=P·B/A[kgf]가 되어 [kgf]로 나타낼 수 있다.

2. 게이지 압력과 절대 압력 압력을 나타내는 데는 그 기준(압력 0의 상태)의 설정 방법에 따라 절대 압력과 게이지 압력으로 나누며, 통상적으로 게이지 압력으로 나타낸다.

절대 압력(absolute pressure)은 완전 진공을 기준으로 하여 나타내고 완전 진공상태가 압력 0이며 게이지 압력(gauge pressure)은 대기압을 기준으로 하여 나타내고 대기압 상태가 압력 0이다.

3. 유량 유량이란 단위 시간에 이동하는 액체의 양을 말하며, 유압에서는 유량은 토출량으로 나타낸다. 단위는 [ℓ/min](분당 토출되는 양) 또는 [cc/sec](초당 토출되는 양)로 표시한다.

즉, 이동한 유량을 시간으로 나눈 것이다. 유량의 계산식은 다음과 같다. Q：유량[ℓ/min] V：용량[ℓ] t：시간[min] v：유속[m/sec] S：거리[m] A：단면적[㎠]

4. 유속 유속이란 단위시간에 액체가 이동한 거리를 나타내며, 유압에서는 단위는 [m/sec](매초당 움직인 거리)로 나타내며 유속의 계산식은 다음과 같다.

v：유속[m/sec] Q：유량[ℓ/min] A：단면적[㎠]

5. 연속의 법칙 액체가 흐를 때 흐름의 상태가 변하지 않는 경우(정상류), 유량은 통과하는 관로의 면적에 관계없이 일정하다.

이를 연속의 법칙이라 한다. 즉, 면적이 작아지면 유속이 빨라지게 되어 일정한 유량을 유지한다.

6. 관의 내경을 구하는 공식

이므로

7. 기름 통로 단면적 줄임기구 유압 장치에는 압력이나 유량을 조정할 때에는 밸브를 사용하는데 밸브는 흐름의 면적을 바꾸어 그 목적을 달성한다.

그 중에서 흐름의 면적을 줄여서 관로 또는 기름 통로 안에 저항을 일으키게 하는 기구를 줄임기구라 하며, 짧은 줄임 기구(오리피스)와 긴 줄임기구(초크)가 있다.

짧은 줄임 기구(오리피스)는 면적을 줄인 길이가 단면 치수에 비하여 비교적 짧은 경우를 말하며, 이 경우 압력 강하는 액체의 점도에 거의 영향을 받지 않는다.

긴 줄임기구(초크)는 면적을 줄인 길이가 단면 치수에 비하여 비교적 긴 경우를 말하며, 이 경우에는 압력 강하가 액체의 점도에 따라 크게 영향을 받는다.

8. 압력 제어 밸브 압력 제어 밸브란 유압 회로 내의 압력을 설정치 이내로 유지하며, 회로 내의 압력이 설정치에 도달하며 회로를 전환하여 환류시키는 밸브이다.

(1) 릴리프 밸브(relief valve) 최초의 압력이 설정 압력 이상이 되면 회로 유량의 일부 또는 전부를 탱크로 보내어 회로내의 최고 압력을 규제한다

(같은 구조의 밸브로서 이상 고압 발생시에만 작동시켜서 과부하 방지용으로 사용하는 것을 안전 밸브라고 한다).

구조면에서 분류하면 파일럿 작동형(밸런스 피스톤형)과 직동형의 2가지가 있다(유압 장치의 라인 압력 조정에는 파일럿 작동형이 많이 사용되고 있다).

① 파일럿 작동형 특징 주 밸브의 움직임을 유압 밸런스로 하고 있으므로 채터링 현상이 일어나지 않고 압력 오버라이드가 작으며, 벤트 구멍을 이용하여 원격 제어를 할 수 있는 이점이 있다

(압력의 설정은 스프링을 이용하는 것은 직동형과 같으나 주 밸브는 기름 압력에 의한다).

② 직동형 특징 대체로 저압 또는 작은 유량일 때 쓰인다. 릴리프 밸브의 성능 중 회로의 효율에 크게 영향을 미치는 것으로 오버라이드 특성이 있다

(직동형은 높은 압력, 많은 유량일수록 오버라이드 특성이 저하한다). 릴리프 밸브 작동시 채터링이 발생될 때가 있는데 직동형에서는 채터링 발생 대책으로 덤핑실을 만든다.

③ 파일럿 작동형 구조 메인 스풀과 파일럿 스풀이 있으며, 메인 스풀을 유압으로 밸런스 시켜서 압력을 유지한다(압력 조정은 파일럿 부로 한다).

메인 스풀과 파일럿 스풀이 있으며, 메인 스풀을 유압으로 밸런스 시켜서 압력을 유지한다(압력 조정은 파일럿 부로 한다).

④ 직동형 구조 메인 스풀 밖에 없어 메인 스풀을 스프링으로 눌러 그 스프링의 힘으로 압력을 조정한다.

⑤ 파일럿 작동형 조작 파일럿 부분의 작은 스프링을 조작하기 위하여 핸들에 걸리는 힘이 작아서 쉽게 조정할 수 있다.

⑥ 직동형 조작 메인 스풀의 강력한 스프링을 조작하기 위하여 핸들에 걸리는 힘이 커서 압력 조절에는 큰 힘이 필요하다.

⑦ 파일럿 작동형 압력 조절 범위 하나의 스프링으로 광범위하게 조절할 수 있다. 스프링을 누르는 힘이 크기 때문에 작은 범위만 조절할 수 있다.

⑧ 직동형 압력 조절 범위 스프링을 누르는 힘이 크기 때문에 작은 범위만 조절할 수 있다.

⑨ 파일럿 작동형 원방 조작 리모트 컨트롤 밸브로서 원격 압력 조정이 가능하며, 방향 전환 밸브로서 언로드도 가능하다.

⑩ 직동형 원방 조작 원격 압력 조절이 불가능하다.

⑪ 파일럿 작동형 응답성 메인 스풀의 작동이 다소 지체되어 서어지압이 발생한다.

⑫ 직동형 응답성 메일 스풀의 움직임이 빨라서 서어지압이 적어도 된다.

⑬ 파일럿 작동형 압력 오버라이드(유량-압력곡선) 압력 변화가 적고 효율이 좋다(곡선 변화).

⑭ 직동형 압력 오버라이드(유량-압력곡선) 압력 변화가 커서 효율이 나쁘다(직선 변화).

(2) 감압 밸브(pressure reducing valve) 회로의 일부에 감압한 압력을 가하는 기능을 지니는 압력 제어 밸브이다(주 회로의 압력은 릴리프 밸브로 제어한다).

설정된 2차 압력이상의 1차 압력 변동에 대해서 2차 압력은 변화를 받지 않고 언제나 설정된 일정한 압력을 유지한다.

제어 밸브로서의 파일럿 압력은 밸브의 출구쪽, 즉, 2차 압력으로부터 유도되며, 항상 2차쪽의 파일럿 유압으로 제어되며 1차 압력과는 관계가 없다. 역지 밸브의 내장형은 역류를 얻을 수 있다.

감압 밸브는 2차쪽을 일정하게 하기 위하여 항상 파일럿 밸브로부터 압유를 드레인으로 팅크에 내보내

메일 스풀을 압력 밸런스 시켜서 감압하는 기능을 가지고 있으므로 반드시 드레인을 탱크 라인에 배관하여야 한다.

① 릴리프 밸브와의 차이점 릴리프 밸브는 여분의 기름을 탱크에 돌려보내어 주회로의 압력을 설정치 이하로 억제하지만

가압 밸브는 주회로 압력(1차압)보다 낮게 2차 압력을 제어하기 위하여 여분의 기름을 2차쪽으로 통과시키지 않는 밸브이다.

② 감압 밸브의 종류 ·정비례형：1차 압력을 일정한 비율로 감압하는 것이며, 고압 1단 베인 펌프에 쓰이고 있는 것과 같다.

·정차등형：1차 압력과 2차 압력의 차를 일정하게 유지하는 밸브이며, 유량 조절 밸브의 압력 보상기구로 쓰인다.

·2차압 일정형：1차 압력이 설정 압력 이하일 때는 전부 열리고, 설정된 압력 이상이 되면 이에 작용하여 2차 압력을 설정값에서 멈추게 한다. 유압회로 내의 일부 압력을 감압하는데 쓰인다.

③ 2차압 일정형(직동형)의 구조

·2차 압력이 설정압력 이하일 때：2차압력은 상부 파일럿 포트를 통하여 주 밸브의 우측에 작용하고 있는데 스프링 힘으로 주 밸브는 열리고 있다.

·2차 압력이 설정값을 넘을 때：2차압력이 스프링의 힘을 이겨내어 주 밸브를 닫는 방향으로 작동하며, 2차압력은 그 이상 상승하지 않는다.

·실린더가 정지하여 가압 상태일 때：1차에서 2차로의 누출은 주 밸브 안의 구멍에서 흘려보내 2차압력이 설정값을 넘지 않도록 작용한다.

·2차압력이 다시 떨어졌을 때：스프링의 힘이 주 밸브 우측에 작용하는 전압력을 이겨내어 주 밸브는 복귀한다.