5가지 유압 시스템의 기본 구성 요소 설명

유압 시스템의 5가지 기본 구성요소는 유압 펌프, 액추에이터(실린더 또는 모터), 제어 밸브, 유압유 저장소, 유압 라인 및 부속품입니다. 간단한 병 잭부터 500톤 산업용 프레스까지 모든 유압 시스템은 동일한 5개 구성 요소 아키텍처에서 작동합니다. 각 부품은 유체 동력을 생성, 지시, 저장, 전달 및 기계 작업으로 변환하는 데 있어 특정하고 상호 교환 불가능한 역할을 수행합니다.

이 기사에서는 각 구성 요소의 기능, 성능 요구 사항, 제조 방법(특히 단조)에 따라 여부가 결정되는 이유에 대해 설명합니다. 유압 부품 실제 작업의 압력과 주기를 견뎌야 합니다. 이러한 구성 요소를 이해하는 것은 건설, 제조, 농업 또는 항공우주 응용 분야에서 유압 시스템을 지정, 소싱 또는 유지 관리하는 모든 사람에게 필수적입니다.

구성요소 1: 유압 펌프

유압 펌프는 시스템의 동력원입니다. 이는 유체를 가압하고 시스템을 통해 밀어냄으로써 전기 모터, 엔진 또는 수동 입력의 기계적 에너지를 유압 에너지로 변환합니다. 펌프는 직접적으로 압력을 생성하지 않습니다. 그것은 흐름을 만들어냅니다. 압력은 하류 흐름에 대한 저항의 결과로 발생합니다.

유압 시스템에는 세 가지 주요 펌프 유형이 사용됩니다.

• 기어 펌프 — 가장 간단하고 비용 효과적인 유형; 일반적으로 모바일 장비, 농업 기계 및 통나무 분할기에서 최대 3,000psi의 압력에서 사용됩니다.
• 베인 펌프 — 더 조용한 작동과 더 일관된 흐름; 최대 2,500psi의 압력으로 산업 기계 및 정밀 시스템에 사용됩니다.
• 피스톤 펌프 - 최고 성능 유형 지속적인 작동 압력이 가능합니다. 5,000~10,000psi 항공우주, 중공업, 금속 성형 프레스 등 까다로운 응용 분야에 사용됩니다.

펌프 하우징과 내부 구성 요소는 모든 시스템에서 가장 스트레스를 많이 받는 유압 부품 중 하나입니다. 일정한 주기적인 압력 부하, 유체 침식 및 열 변화를 견뎌야 합니다. 단조 펌프 하우징 및 밸브 블록 단조로 생성된 입자 구조는 주조 대체품에 비해 우수한 피로 저항을 제공하기 때문에 고압 피스톤 펌프 응용 분야의 표준입니다. 이는 펌프가 수명 동안 수백만 번 순환할 수 있는 경우 중요합니다.

유압 펌프의 주요 성능 매개변수

구성 요소 2: 액추에이터 - 실린더 및 유압 모터

액추에이터는 유압 에너지가 다시 기계적 작업으로 변환되는 곳입니다. 이는 실제로 들어올리기, 누르기, 클램핑, 회전 또는 밀기를 수행하는 구성 요소입니다. 두 가지 주요 액추에이터 유형이 있습니다.

• 유압 실린더(선형 액추에이터) - 유체 압력을 직선 힘과 운동으로 변환합니다. 4인치 보어와 3,000psi에서 작동하는 실린더는 대략 37,700파운드의 힘 — 적재된 덤프 트럭 축을 들어 올리기에 충분합니다. 실린더는 굴삭기, 덤프 트럭, 농업용 리프트, 사출 성형 기계 및 항공기 랜딩 기어에 사용됩니다.
• 유압 모터(회전식 액추에이터) - 유체 에너지를 연속적인 회전 출력으로 변환합니다. 스키드 스티어 로더 및 유압 구동 시스템의 윈치, 컨베이어, 오거 및 휠 드라이브에 사용됩니다.

엔드 캡, 글랜드 너트, 피스톤 헤드, 실린더 배럴을 포함한 유압 실린더 부품은 업계에서 가장 일반적으로 단조되는 유압 부품 중 하나입니다. 그 이유는 간단합니다. 유압 실린더는 일상적으로 30,000psi를 초과하는 동적 인장 및 압축 응력 최대 부하 중에는 수행 중인 작업의 측면 부하와 결합됩니다. 단조 실린더 엔드 캡과 피스톤 로드는 이러한 반복 하중 하에서 균열 전파를 방지하는 데 필요한 조밀하고 결함 없는 입자 구조를 제공합니다. 이러한 품질은 주조 또는 가공된 빌렛 부품이 등가 중량에서 안정적으로 일치할 수 없는 품질입니다.

유압 실린더 힘 계산 참조

유압 실린더가 생성하는 힘은 다음과 같이 계산됩니다. 힘(lbs) = 압력(psi) × 피스톤 면적(in²) . 3,000psi에서 6인치 보어가 있는 실린더는 약 84,823파운드의 미는 힘을 생성합니다. 이것이 실린더 부품의 무결성이 매우 중요한 이유입니다. 일반적인 산업용 유압 응용 분야에 관련된 힘은 부품 크기에 비해 엄청납니다.

구성요소 3: 제어 밸브

제어 밸브는 유압 시스템의 지능적인 방향을 결정합니다. 유압유의 방향, 압력 및 유속을 조절하여 액추에이터가 움직이는 방법과 시기, 힘이 가해지는 정도, 시스템이 부하 변화에 반응하는 방법을 결정합니다. 제어 밸브가 없으면 유압 펌프는 제어되지 않은 압력에서 유체를 한 방향으로 밀어내기만 하므로 정확하고 제어된 작업이 불가능해집니다.

유압 제어 밸브의 세 가지 기능 범주는 다음과 같습니다.

방향 제어 밸브(DCV)

DCV는 유체를 실린더 또는 모터의 올바른 쪽으로 라우팅하여 이동 방향을 제어합니다(시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 확장 또는 후퇴). 가장 일반적인 구성은 4/3 스풀 밸브 (4개 포트, 3개 위치: 확장, 중립, 후퇴), 굴삭기 암, 로더 붐 및 다양한 유압 기능을 갖춘 거의 모든 건설 장비에 사용됩니다.

압력 제어 밸브

이 밸브는 과압으로부터 시스템을 보호합니다. 는 릴리프 밸브 모든 유압 회로에서 가장 중요한 안전 구성 요소입니다. 시스템 압력이 설정된 임계값(일반적으로 최대 작동 압력보다 10~15% 높음)을 초과하면 열리고 초과 유체를 저장소로 다시 전환시킵니다. 릴리프 밸브가 없으면 시스템이 막히면 라인, 피팅 또는 구성 요소가 파열될 때까지 압력이 증가하여 잠재적으로 치명적인 오류가 발생할 수 있습니다. 감압 밸브와 시퀀스 밸브는 보다 복잡한 다중 회로 시스템에 사용되는 추가 압력 제어 유형입니다.

유량 제어 밸브

흐름 제어 밸브는 실린더나 모터에 도달하거나 나가는 유체의 양을 제어하여 액추에이터 이동 속도를 조절합니다. 니들 밸브 또는 비례 유량 제어 밸브를 사용하면 작업자가 유압 실린더의 확장 스트로크 속도를 정확하게 설정할 수 있습니다. 이는 속도 제어가 제품 품질에 영향을 미치는 프레싱 작업과 제어된 하강 속도가 안전 요구 사항인 크레인 및 리프트 응용 분야에 매우 중요합니다.

고압 방향 및 압력 제어 밸브용 밸브 본체는 단조 유압 부품에 가장 까다로운 응용 분야 중 하나입니다. 밸브 본체는 주기적 압력 부하에서 정확한 치수 공차를 유지해야 합니다. 산업용 유압 회로의 압력 스파이크는 밸브가 빠르게 작동하는 동안 공칭 시스템 압력을 200~400% 초과할 수 있습니다. (압력 과도). 미세 다공성과 잠재적인 수축 결함을 포함하는 주조 밸브 본체는 연속 입자 구조를 가진 단조 밸브 본체보다 이러한 응력 집중에서 피로 균열이 시작되기 훨씬 더 쉽습니다.

구성요소 4: 유압유 저장소

저장소는 시스템 작동에 필요한 유압유를 저장합니다. 이는 단순한 탱크 그 이상입니다. 적절하게 설계된 저장소는 유체 저장, 열 조절, 공기 및 오염 물질 분리, 시스템 압력 안정화의 네 가지 기능을 동시에 수행합니다.

• 유체 저장 : 대부분의 저수지는 펌프 분당 유량의 2~3배 기준으로 - 20GPM 펌프를 갖춘 시스템에는 최소 40~60갤런의 저장소가 있어야 합니다. 이는 유체가 동반된 공기를 방출하고 오염물질을 침전시키는 체류 시간을 제공합니다.
• 열 관리 : 반환된 유체는 저장소 벽을 통해 열을 방출합니다. 열 관리가 중요한 시스템에서는 열 교환기(오일 냉각기)가 저장소 앞의 회수 라인에 통합됩니다.
• 오염물질 분리 : 저장소 내부의 배플은 유체 속도를 늦추고 입자상 물질이 재순환되지 않고 침전되도록 합니다. 유압 시스템 오염은 다음의 원인입니다. 유압 고장의 최대 80% Parker Hannifin 유체 동력 연구 그룹의 업계 데이터에 따르면 저장소 설계는 첫 번째 방어선입니다.
• 압력 안정화 : 저수조는 펌프의 흡입수두를 안정된 대기압 또는 약간 가압된 흡입수두로 유지하여 펌프 내부에 손상을 주는 캐비테이션을 방지합니다.

고압 저장소의 저장소 피팅, 장착 플랜지 및 포트 보스는 특히 진동 하중이 일정한 모바일 장비에서 가압 장착 연결의 기계적 응력을 견디기 위해 단조 유압 부품으로 생산되는 경우가 많습니다.

구성 요소 5: 유압 라인, 호스 및 피팅

유압 라인과 부속품은 유압 회로의 순환 시스템으로, 다른 모든 구성 요소 사이에 가압된 유체를 전달합니다. 이는 통계적으로 현장에서 가장 흔한 유압 시스템 고장의 원인이기도 하며, 누출과 치명적인 압력 손실의 큰 부분을 차지합니다.

유압 시스템에는 세 가지 유형의 도체가 사용됩니다.

• 강철 튜브(단단한 라인) - 고압 회로의 고정 영구 연결에 사용됩니다. 5,000~10,000psi 등급의 심리스 강철 튜빙은 산업 및 항공우주 유압 시스템의 표준입니다. 견고한 라인은 압력 순환 시 구부러지거나 저하되지 않습니다.
• 유압호스(플렉시블 라인) - 구성요소가 서로 상대적으로 움직이는 곳에 사용됩니다(예: 트랙터 본체와 로더 암 사이). 와이어 브레이드 또는 나선형으로 감긴 호스의 정격은 구조에 따라 3,000~6,000psi입니다. 호스에는 유한한 사용 수명이 있습니다. 대부분의 제조업체에서는 2년마다 또는 사용 시간 2,000시간마다 교체할 것을 권장합니다. , 둘 중 먼저 오는 것.
• 파이프(스케줄 80 이상) - 탱크 연결 및 복귀 라인과 같은 대구경 저압 회로를 위한 고정식 산업 시스템에 사용됩니다.

단조 유압 피팅이 업계 표준인 이유

어댑터, 티 블록, 엘보 커넥터, 매니폴드 블록 및 포트 플러그를 포함한 유압 피팅은 전 세계적으로 가장 널리 생산되는 단조 유압 부품 중 하나입니다. 그 이유는 잘 확립되어 있고 정량화되어 있습니다.

• 단조 피팅은 견딜 수 있습니다. 20~40% 더 높은 파열 압력 주조 다공성이 제거되고 입자 흐름이 피팅 형상과 정렬되기 때문에 동일한 재료의 동등한 주조 피팅보다 우수합니다.
• 3,000psi 이상의 압력에 대한 유압 피팅을 관리하는 SAE 및 ISO 표준은 특히 단조 구조를 필수 또는 선호하는 제조 방법으로 참조합니다.
• 단조 피팅은 주조 또는 기계 가공된 빌렛 대안보다 반복적인 조립 및 분해 주기에서 치수 안정성(나사 형태 및 밀봉 표면 형상)을 더 잘 유지합니다.

단조가 유압 부품 제조 방법으로 선호되는 이유

유압 시스템은 모든 구성 요소가 주기적으로 가해지는 극도의 응력에 노출되는 조건에서 작동합니다. 높은 작동 압력(종종 3,000~10,000psi), 급격한 압력 과도 현상, 열 순환 및 진동이 결합되어 제조된 유압 부품을 단순히 재질이 무엇인지뿐만 아니라 제조 방법에 따라 차별화하는 까다로운 환경이 조성됩니다.

단조는 높은 온도에서 망치질이나 압착 등의 압축력에 의해 금속을 성형하는 제조 공정입니다. 이 공정은 무작위(주조에서처럼)나 절단(가공된 빌렛에서처럼)이 아닌 부품 형상의 윤곽을 따르는 입자 흐름선을 통해 정제된 입자 구조를 생성합니다. 그 결과, 눈에 띄게 더 강하고 피로에 강한 부품이 탄생했습니다.

단조 vs. 주조 vs. 가공 빌렛: 직접적인 비교

단조산업협회(Forging Industry Association)의 독립적인 테스트에 따르면 단조강 부품이 인장강도 최대 26% 향상, 피로강도 37% 향상 동일한 재료 구성의 주조 등가물과 비교. 치명적인 누출, 생산 손실 또는 안전 사고로 인해 고장이 측정되는 유압 구성 요소의 경우 이 마진은 학문적이지 않습니다. 이는 고압 응용 분야에서 단조 유압 부품에 대한 업계 전반의 선호도에 대한 엔지니어링 기반입니다.

가장 일반적으로 단조되는 유압 부품

모든 유압 부품이 단조되거나 단조될 필요가 있는 것은 아닙니다. 단조 유압 부품을 지정하는 결정은 압력 등급, 듀티 사이클, 고장 결과에 따라 달라집니다. 다음 부품은 유압 산업 전반에 걸쳐 단조로 가장 자주 생산됩니다.

• 밸브 본체 및 매니폴드 블록 — 3,000psi 이상에서 작동하는 방향성, 릴리프 및 흐름 제어 밸브 본체는 거의 보편적으로 강철 또는 알루미늄 합금으로 단조됩니다.
• 실린더 엔드 캡 및 글랜드 너트 - 유압 실린더의 끝을 밀봉하고 피스톤 로드 밀봉 어셈블리를 유지하는 구성 요소. 이는 전체 시스템 압력과 로드의 굽힘 하중을 모두 보여줍니다.
• 펌프 하우징 및 엔드 플레이트 - 특히 압력 하에서 내부 간극을 유지하기 위해 하우징 무결성이 중요한 축 피스톤 펌프의 경우.
• 유압 피팅 및 어댑터 — 고압 라인 연결을 위한 강철 및 스테인리스강 소재의 JIC, ORFS, BSP 및 NPT 피팅은 폐쇄 다이 단조를 통해 엄청난 양으로 생산됩니다.
• 스위블 조인트 및 로터리 유니온 - 유압 라인이 회전하거나 연결되어야 하는 곳에 사용됩니다. 본체 하우징은 압력과 비틀림 하중을 동시에 견뎌야 합니다.
• 어큐뮬레이터 쉘 및 엔드 클로저 — 유압 어큐뮬레이터는 압력 용기에 가압된 유체 에너지(최대 5,000psi)를 저장하고 단조 쉘은 ASME 및 ISO 표준에서 요구하는 압력 봉쇄 무결성을 제공합니다.

단조 유압 부품에 사용되는 재료

단조 유압 부품에 선택되는 재료는 작동 압력, 유체 호환성 요구 사항, 중량 제한 및 부식 환경에 따라 달라집니다. 유압 부품 단조에 사용되는 네 가지 주요 재료는 다음과 같습니다.

강철 합금은 대부분의 산업 및 모바일 장비 응용 분야에서 단조 유압 부품을 지배합니다. 강도, 가공성 및 비용이 결합되어 있기 때문입니다. 알루미늄 단조품은 중량 절감이 부품당 비용의 증가를 정당화하는 곳에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 특히 부품 중량 1파운드가 운영 비용에 직접적인 영향을 미치는 항공우주 유압 시스템에서 더욱 그렇습니다.

다섯 가지 구성요소가 함께 작동하는 방식: 시스템 통합

각 구성요소를 개별적으로 이해하는 것은 그림의 일부일 뿐입니다. 유압 시스템은 다섯 가지 구성 요소가 모두 지속적으로 상호 의존적으로 상호 작용하는 폐쇄 루프 회로로 작동합니다. 다음 순서는 유압 프레스 또는 굴삭기 암과 같은 일반적인 복동 실린더 응용 분야의 전체 유압 동력 사이클을 설명합니다.

1. 저수지 깨끗한 온도 조절 유압유를 포지티브 흡입 헤드 아래의 펌프 흡입구에 공급합니다.
2. 펌프 저장소에서 유체를 끌어와 시스템 작동 압력(산업 응용 분야에서는 일반적으로 1,500~5,000psi)으로 가압하고 이를 제어 밸브 회로로 전달합니다.
3. 방향 제어 밸브 작업자 명령(수동 레버, 솔레노이드 또는 전자 신호)을 수신하고 가압된 유체를 실린더의 한쪽으로 보내는 동시에 다른 쪽에서 저장소로 돌아가는 복귀 경로를 엽니다.
4. 압력 릴리프 밸브 시스템 압력을 지속적으로 모니터링합니다. 부하 저항으로 인해 압력이 시스템 한계에 도달하면 릴리프 밸브가 열리고 초과 흐름을 저장소로 우회하여 회로의 모든 구성 요소를 보호합니다.
5. 액추에이터(실린더) 가압된 유체를 선형 힘으로 변환하여 원하는 기계적 작업(프레스, 리프팅, 클램핑 또는 절단)을 수행합니다.
6. 유체 반환 제어 밸브를 통해, 복귀 라인 필터를 통해 다시 저장소로 돌아가 사이클을 완료합니다. 종종 시스템 비효율로 인해 생성된 열 에너지를 제거하기 위해 열 교환기를 통과합니다.

이 전체 회로의 신뢰성은 각 개별 유압 부품의 무결성, 특히 수백만 번의 압력 사이클에서 치수 및 구조적 무결성을 유지하는 피팅, 밸브 본체, 실린더 구성 요소 및 펌프 하우징의 능력에 따라 달라집니다. 이것이 바로 이유이다 단조 유압 부품 주조하는 것이 아니라 선호 사항이 아니라 엔지니어링 요구 사항입니다. 3,000psi 이상에서 작동하거나 고강도 사이클을 사용하는 모든 시스템에 적합합니다. 단조 부품에 대한 업스트림 투자는 피로 균열, 다공성으로 인한 누출 및 압력에 따른 피팅 실패로 인해 훨씬 ​​더 많은 비용이 드는 다운스트림 실패를 제거합니다.