유압구동계

3. 장점 및 단점

유압구동계는 다음과 같은 장점과 단점을 가진다.

'''장점'''

• 유압 펌프는 비교적 작아도 큰 힘을 낼 수 있고, 공기압 장치보다 고압으로 사용할 수 있다.
• 과부하 상태가 되어도 동력 계통에 나쁜 영향을 주지 않는다.
• 출력 및 속도를 조절하기 쉽고, 작동유의 압축률이 낮아 힘을 직접 전달하면서도 충격과 진동을 흡수할 수 있다. 따라서 항공기의 조종면처럼 섬세한 조작이 필요한 곳에 사용하기 좋다.
• 전기식이나 유압식 등으로 원격 조작을 할 수 있다.
• 작동유는 방청 및 윤활 효과를 가지고 있어 기기 내부 마모를 줄여준다.

• 펌프, 밸브, 조정 밸브, 액추에이터 사이의 배관이 길고 복잡하면 배관 이음매나 플랜지에서 오일이 새기 쉽다. 접합부를 잘못 만들거나 실(seal)이 낡아도 오일이 샐 수 있으며, 이는 주변을 오염시키고 펌프를 망가뜨릴 수 있다.
• 오일은 산화되거나 물이 섞이면 성능이 떨어지거나 기기를 손상시킬 수 있으므로, 알맞은 등급을 골라 쓰고 난 후에도 꾸준히 관리해야 한다.
• 온도가 변하면 오일의 점도도 변한다. 온도가 낮으면 점도가 높아져 에너지 손실이 커지고, 온도가 높으면 점도가 낮아져 오일이 새거나 빨리 낡을 수 있다.
• 유압 기기 내부에서는 어느 정도 오일이 새는데, 이는 에너지 효율을 떨어뜨리고 열을 발생시킨다. 그 결과 동력원, 탱크, 오일 쿨러 등이 커지고 실(seal)과 오일이 빨리 낡을 수 있다.
• 공기압 시스템과 달리 유압은 사용한 오일을 탱크로 되돌리는 배관이 필요하고, 높은 압력에 맞는 배관과 기기를 써야 하므로 배관을 새로 설치하고 유지하는 데 비용이 많이 든다.
• 금속을 많이 쓰기 때문에 가볍게 만들기 어렵고, 작동유도 가볍게 할 수 없어 무게가 중요한 기계에는 쓰기 어렵다.

3. 1. 장점

• 비교적 소형의 유압 펌프로 큰 힘을 낼 수 있다. (공기압 장치보다 고압으로 사용할 수 있다.)
• 과부하로 멈췄을 때 동력 계통에 악영향을 주지 않는다. (전기 모터와 크게 다르다.)
• 출력 및 속도 조절이 용이하며, 섬세한 조작이 요구되는 항공기의 조종면 조작에도 대응한다. 이는 작동유의 압축률이 낮기 때문에 힘을 직접적으로 전달하는 것과 일정 수준의 충격과 진동을 흡수하는 것을 모두 가능하게 하기 때문이다.
• 전기식이나 유압식 등에 의한 원격 조작이 가능하다.
• 작동유 자체가 방청 및 윤활 효과가 있어 기기 내부의 마모가 적다.^{[1][2][3][4][5][6]}

3. 2. 단점

• 펌프, 밸브, 조정 밸브, 액추에이터 간의 배관이 길고 복잡해지면, 배관 이음새나 플랜지에서 오일 누출이 발생하기 쉽다. 접합부 시공 불량이나 실(seal)의 열화도 외부 오일 누출의 원인이 된다. 누출된 오일은 주변을 오염시키고, 탱크 유량이 감소하여 펌프의 공회전이나 소손(燒損)을 유발할 수 있다.
• 오일은 산화되거나 물이 섞이면 열화되어 출력 성능 저하나 기기 손상을 일으킨다. 따라서 사전에 적절한 등급을 선정하고, 사용 개시 후에는 항상 관리해야 한다.
• 오일은 온도 변화에 따라 점도가 변한다. 저온에서는 점도가 높아져 에너지 손실이 커지고, 고온에서는 점도가 낮아져 누출이 많아지거나 작동유 열화가 빨라진다.
• 유압 기기 내부에서는 어느 정도 누출이 발생한다. 누출된 오일은 압력이 낮은 계통으로 전달되어 탱크로 돌아간다. 이 내부 누출은 실제 작업으로 이어지지 않아 펌프가 불필요한 작업을 하게 되므로 에너지 효율이 떨어진다. 또한 내부 누출은 발열의 원인이 된다. 결과적으로 내부 누출 발생량에 따라 동력원, 탱크, 오일 쿨러가 커지고, 실(seal)과 오일도 조기에 열화될 수 있다.
• 배관 신설 및 유지에 비용이 든다. 공압 시스템은 액추에이터에서 작업이 끝난 공기를 대기 중으로 방출할 수 있지만, 유압은 반환 오일을 탱크로 되돌리는 배관이 필요하다. 또한 유압의 비교적 높은 회로 압력에 맞는 재질, 설계의 배관(강관이나 호스), 기기, 매니폴드 블록을 사용해야 한다.
• 금속을 많이 사용하는 압력 기기이므로 경량화가 어렵고, 작동유 경량화는 거의 불가능하다. 이는 무게 요건이 엄격한 기계에서는 단점이 된다.

4. 구성 요소

유압 기기를 작동시키기 위해서는 유압 펌프에서 토출된 작동유를 압력 제어 밸브를 통해 압력을 소정 수준으로 낮추고, 유량 조절 밸브로 유량을 제어하여 유압 모터나 유압 실린더에 공급하여 유압 모터를 회전시키거나 유압 실린더를 작동시킨다. 회전 방향(정회전 또는 역회전)이나 실린더의 신축은 방향 제어 밸브로 제어한다.

유압 구동계는 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어져 있다.

• 축압기: 유압 에너지를 일시적으로 저장해두고 유압의 맥동을 줄인다. 한 번에 대량의 작동유가 필요할 때 리저버 역할을 하거나, 펌프와 병용하여 유압원 역할을 한다. 질소 가스나 스프링을 이용하여 유압 측의 압력을 받아 압축・팽창하는 기능을 수행한다.
• 유압계(압력계): 직접 눈금을 육안으로 확인하는 압력계 외에, 원격 감시를 위해 전기 신호로 변환하는 압력 센서를 사용하는 경우도 있다.
• 유온계: 유압 시스템의 운전 온도는 너무 낮거나 높아도 문제가 발생하므로 적절한 수준을 유지해야 한다. 직접 눈금을 육안으로 확인하는 유온계 외에, 원격 감시를 위해 전기 신호로 변환하는 온도 센서를 사용하는 경우도 있다.
• 오일 필터: 작동유에 혼입된 먼지나 운전에 따라 발생하는 슬러지(작동유 생성물)・금속 가루를 제거한다. 용도와 설치 장소에 따라 여과 정밀도, 소재, 내압 능력, 유량 사이즈를 구분하여 사용해야 한다. 여과 능력이 높은 순서대로 인라인 필터(펌프 토출 계통), 리턴 필터(유압 계통 반환 계통), 서션 스트레이너(펌프 흡입 포트)로 나눌 수 있다. 유압 계통과는 별도로 독립된 순환 회로를 설치하여 탱크의 오일을 상시 여과하는 오프라인 필터도 있다. 필터가 막힐 경우를 대비하여 오일을 자동으로 우회시키는 바이패스 밸브나, 육안 또는 전기 신호로 검지하는 장치가 필요하다.
• 오일 탱크(리저버・탱크): 유압 계통에 필요한 작동유를 저장하는 탱크이다. 릴리프 밸브(압력 제어 밸브)에서 나오는 여분의 작동유나 액추에이터에서 반환된 작동유를 저장한다. 작동유의 냉각 기능과 혼입된 기포나 먼지를 분리하는 기능도 한다. 밸브류 배관 중이나 축압기 오일을 뺄 때에는 탱크가 넘치지 않도록 주의해야 한다.
• 냉각기: 작동유 온도가 높아지는 조건에서는 냉각기(쿨러, 라디에이터)를 설치하여 온도를 적정 수준으로 낮춘다. 냉각 방식에 따라 공랭식, 수냉식, 냉매식으로 나눌 수 있다. 유압 계통에서 반환된 오일을 탱크에 넣기 직전에 냉각하는 인라인 배치와, 유압 계통과는 독립적으로 탱크 오일을 직접 냉각하는 오프라인 배치가 있다.
• 히터: 운전 시동 시 등 작동유 온도가 너무 낮을 경우, 히터로 작동유를 적정 수준까지 예열하여 유압 성능 저하를 방지한다.
• 유압 브레이크: 유압 모터 등에 부수되어 구동부를 구속・유지하는 장치이다. 네거티브 브레이크(압력이 없을 경우 구동부 구속, 압력 확립 시 해제)와 포지티브 브레이크(압력을 가하면 구동부 구속, 압력이 없어지면 해제)가 있다.

4. 1. 유압 펌프

• 베인 펌프
• 케이싱 내에 편심 설치된 회전자에 부착된 가동식 날개차(베인)를 돌려 작동유에 압력을 가하여 토출한다. 비교적 저압 영역에 적합하다.
• 기어 펌프
• 케이싱 안에서 회전하는 톱니바퀴가 맞물리면서 작동유에 압력을 가하여 토출한다. 구조에 따라 "외접 기어 펌프"와 "내접 기어 펌프"의 두 종류가 있다. 소형 기계(지게차나 농업 기계 등)의 동력원으로 사용되는 예가 많다. 구조상 가변식이 없고 모두 고정 용량식이다.
• 스크류 펌프
• 케이싱 안에서 여러 개의 스크류가 회전하고 맞물리면서 작동유를 축 방향으로 밀어낸다. 엘리베이터의 승강이나 수문의 개폐 등. 연속 토출하는 구조이므로 운전 시 맥동이 일어나지 않는다.
• 피스톤 펌프
• "플런저 펌프"라고도 한다. 회전축 주위에 배치된 피스톤의 왕복 운동으로 유압력을 발생시키는 것. 축에 대한 피스톤의 작동 방향에 따라 "액시얼 피스톤 펌프"(피스톤의 작동 방향이 축과 거의 평행)와 "래디얼 피스톤 펌프"(작동 방향이 축의 중심에서 바깥쪽으로 향함)로 크게 나뉜다. 액시얼 피스톤 펌프에는 "사판식"과 "사축식"이 있으며, 토출량이 고정식인 것과 가변식인 것이 있다.
• 액시얼 피스톤 펌프(사판식)
• 회전하는 밸브 플레이트에 의한 밸브 기구와 회전하는 경사진 판에 의한 피스톤의 왕복 운동으로 압력을 가하는 것.
• 액시얼 피스톤 펌프(사축식)
• 동축과 실린더 블록 중심축이 일정 각도를 갖는 형식의 액시얼 피스톤 펌프.
• 래디얼 피스톤 펌프
• 동축에 대해 실린더가 방사형(별 모양)으로 배열되어 있는 것. 기본적으로 고정 용량식이다. 액시얼 피스톤 펌프에 비해 슬라이딩 부품이 적어 내부 누설량이 적고, 운전 시 효율이 좋다. 높은 작동 압력에도 대응할 수 있다.

4. 2. 액추에이터

4. 3. 밸브

4. 4. 기타 구성 요소

• '''유압 모터''' (액추에이터): 유압 펌프에서 얻은 유압력으로 회전 운동을 얻는다. 기본적인 구조는 각종 유압 펌프와 같으며, 베인 모터, 기어 모터, 피스톤 모터가 있다.
• '''유압 브레이크''': 유압 모터 등에 부수되어 구동부를 구속・유지하는 장치이다. 네거티브 브레이크(압력이 없을 경우 구동부를 구속, 압력 확립 시 해제)와 포지티브 브레이크(압력을 가하면 구동부를 구속, 압력이 없어지면 해제)가 있다.
• '''유압 실린더''' (액추에이터): 유압을 직선 운동으로 변환하여 신축 구동을 하는 장치이다. 신축 양쪽에 유압력이 필요한 복동식과, 한쪽이 유압 구동이고 다른 쪽이 외력 또는 스프링으로 구동되는 단동식이 있다.
• '''밸브''':
• '''방향 제어 밸브''': 오일 유로를 차단・개통하는 제어를 수행하며, 밸브 내부의 스풀이나 포펫 등의 전환 엘리먼트를 전자기석이나 수동 레버, 공압 또는 유압 피스톤 등의 액추에이터로 작동시킨다. 전자기석으로 전환하는 것은 솔레노이드 밸브라고 불린다. 완전 개방 또는 완전 폐쇄만 전환하는 온오프 밸브와, 전환 중의 엘리먼트 개도를 무단계 제어할 수 있는 비례 밸브 또는 서보 밸브로 크게 나뉜다. 비례 밸브・서보 밸브는 유량 제어 밸브의 대용으로 사용할 수도 있다.
• '''압력 제어 밸브'''(릴리프 밸브), 안전 밸브: 설정 이상의 압력이 되면 압력유를 유압 계통에서 방출하여 그 이상의 압력 상한을 억제하는 기능을 갖는 밸브이다. 방출된 작동유는 배관을 통해 리저버 탱크로 되돌아간다. 비례 전자기 밸브를 사용한 경우, 제어 전류 또는 제어 전압에 비례한 압력 조정을 원격 제어할 수 있다.
• '''유량 제어 밸브''': 설정 이상의 유량을 조여, 밸브 이후의 유량 상한을 억제하는 기능을 갖는 밸브이다. 유량을 조이면 유량 제어 밸브보다 앞쪽의 압력이 상승하고, 고정 펌프에서는 압력 제어 밸브가 작동하여 조여진 분량의 작동유를 리저버 탱크로 되돌린다. 가변 펌프의 경우 펌프 토출량이 자동으로 저하된다. 비례 전자기 밸브를 사용한 경우, 제어 전류 또는 제어 전압에 비례한 유량 조정을 원격 제어할 수 있다.
• '''역지 밸브''' (체크 밸브): 유압의 흐름을 한 방향으로 제한하는 기능을 갖는 밸브이다. 1차 측(입구 측)보다 2차 측(출구 측)의 압력이 높을 경우 밸브가 폐쇄된다. 임의의 타이밍에 밸브를 여는 원격 조작 기능을 가지며, 2차 측에서 1차 측으로 역류시킬 수 있는 제품은 파일럿 체크 밸브(파일럿 작동 체크 밸브)라고 불린다.

• '''축압기''': 유압 에너지를 일시적으로 저장해두고 유압의 맥동을 줄인다. 한 번에 대량의 작동유가 필요할 때의 리저버 역할, 펌프와 병용된 유압원의 역할도 한다. 유압 측의 압력을 받아 압축・팽창하는 기능에 질소 가스나 스프링이 사용된다.
• '''유압계''' (압력계): 직접 눈금을 육안으로 확인하는 압력계 외에, 원격 감시를 위해 전기 신호로 변환하는 압력 센서를 사용하는 경우도 있다.
• '''유온계''': 유압 시스템의 운전 온도에는 적절한 수준이 있으며, 너무 낮아도 너무 높아도 지장을 초래한다. 직접 눈금을 육안으로 확인하는 유온계 외에, 원격 감시를 위해 전기 신호로 변환하는 온도 센서를 사용하는 경우도 있다.
• '''오일 필터''': 작동유에 혼입된 먼지나 운전에 따라 발생하는 슬러지(작동유 생성물)・금속 가루를 제거한다. 용도・설치 장소에 따라 여과 정밀도나 소재, 내압 능력, 유량 사이즈를 구분하여 사용해야 한다. 여과 능력이 높은 순서대로, 펌프의 토출 계통에 설치하는 인라인 필터, 유압 계통으로부터의 반환 계통에 설치하는 리턴 필터, 펌프의 흡입 포트에 설치하는 서션 스트레이너로 크게 나눌 수 있다. 또한 유압 계통과는 별도로 독립된 순환 회로를 설치하여 탱크의 오일을 상시 여과하는 오프라인 필터도 존재한다. 필터가 사용 중에 막힐 가능성이 있는 경우에는, 오일을 자동으로 우회시키는 바이패스 밸브나, 육안 또는 전기 신호에 의한 검지 장치가 필요하다.
• '''오일 탱크''' (리저버・탱크): 유압 계통에 필요한 작동유를 저장해두는 탱크이다. 릴리프 밸브(압력 제어 밸브)에서 나오는 여분의 작동유나 액추에이터류에서 반환된 작동유를 저장한다. 작동유의 냉각 기능과 혼입된 기포나 먼지를 분리하는 기능도 갖는다. 밸브류를 배관 중이나 축압기의 오일을 뺄 때에는, 반환량에 따라 탱크가 넘치지 않도록 주의해야 한다.
• '''냉각기''': 작동유의 온도가 고온이 되는 조건에서는, 작동유의 온도를 적정 수준까지 내리기 위해 냉각기(쿨러, 라디에이터)를 설치하는 경우가 있다. 구조상 공랭식, 수냉식, 냉매식의 3가지로 크게 나눌 수 있다. 유압 계통에서 반환된 오일을 탱크에 넣기 직전에 냉각하는 인라인 배치와, 유압 계통과는 독립된 형태로 탱크의 오일을 직접 냉각하는 오프라인 배치가 있다.
• '''히터''': 운전 중에 작동유의 온도가 크게 변하면 유압의 성능에 영향을 미친다. 운전 시동 시 등 작동유의 온도가 너무 낮을 경우, 히터로 작동유를 적정 수준까지 예열한다.

5. 작동유

유압에 사용되는 유체는 크게 석유(광물유)계 작동유와 난연성 합성 작동유로 나눌 수 있다. 석유계 작동유는 소방법상 위험물로 취급되는 반면, 난연성 합성 작동유는 인화점이 더 낮아 지정 가연물로 취급되어 저장 및 취급 규제가 완화된다. 최근에는 식물유나 합성유를 사용한 생분해성 작동유도 등장했다. 이러한 작동유들은 윤활성 유지, 금속 방청·방식성, 내열화성, 소포성, 기포 분리성, 물 분리성 등의 조건을 충족하도록 다양한 첨가물이 배합되어 있다.^{[1][2][3][4][5][6]}

사용 기온, 상태, 장소, 운전 빈도 등에 맞는 작동유를 선정해야 하며, 작동유가 열화되거나 이물질/수분 혼입 등으로 오염된 경우 또는 일정 사용 기간/시간(최장 1년 이내)이 지나면 교환해야 한다. 정기적인 작동유 교환만으로도 유압 시스템의 수명을 크게 연장할 수 있다. 유압 기기 패킹 소재는 작동유, 사용 환경, 작동 압력에 적합한 것을 선택해야 한다.

자동차의 브레이크 시스템에 사용되는 작동유는 브레이크액이라고 하며, 대부분 에틸렌 글리콜 등을 주성분으로 한 글리콜 계열이다. 브레이크액은 수분이 혼입되어도 베이퍼록 현상이 쉽게 발생하지 않도록 수용성 성분으로 구성된다.

5. 1. 종류

5. 2. 관리

• 오일은 산화나 물의 혼입에 의해 열화되어 출력 성능 저하나 기기 손상을 일으킨다. 따라서 사전에 적절한 등급을 선정하고, 사용 개시 후에는 항상 관리해야 한다.
• 오일은 온도 변화에 따라 점도가 변한다. 저온에서는 고점도에 의한 에너지 손실이 커지고, 고온에서는 점도 저하로 인해 누출이 많아지거나 작동유의 열화가 빨라진다.
• 유압 기기 내부에서는 어느 정도 누출이 발생한다. 누출된 오일은 압력이 낮은 계통으로 전달되어 최종적으로 탱크로 돌아간다. 이 내부 누출은 실제 작업으로 이어지지 않으며, 그만큼 펌프가 불필요한 작업을 하게 되어 에너지 효율이 떨어진다. 또한 내부 누출은 발열의 원인이 된다. 결과적으로 내부 누출 발생량에 따라 동력원, 탱크, 오일 쿨러가 본래 적정 크기보다 커지고, 실(seal) 류 및 오일도 조기에 열화될 수 있다.
• 유압에 사용되는 유체는 일반적으로 석유(광물유)계 작동유와 난연성 합성 작동유로 크게 나눌 수 있다. 전자는 소방법상 위험물(을종 제4류(인화성 액체) 중 제4 석유류)에 해당하며, 후자는 인화점이 더 낮아 지정 가연물로 취급되므로 저장 및 취급 규제가 완화된다. 최근에는 식물유나 합성유를 사용한 환경 대응형 생분해성 작동유도 등장했다. 이들은 모두 기재에 다양한 첨가물을 배합하여 윤활성을 유지하고, 금속에 대한 방청·방식성을 가지며, 열화되기 어렵고, 거품이 잘 생기지 않고 기포가 발생해도 쉽게 분리되며, 혼입된 물을 분리하기 쉽도록 고려되었다.

6. 도면 기호

유압의 도면 기호는 JIS B 0125-1 유압·공기압 시스템 및 기기 도면 기호 및 회로도 제1부: 도면 기호에 기재되어 있다.

7. 대체 기술

유압 시스템이 보급되기 전에는 수압 시스템이 많이 사용되었는데, 수압 시스템은 점도가 낮아 동작 손실이 적고, 탄성 변동이 작아 응답성과 정밀성이 우수하며, 누출 시 화재 및 오염 위험이 적고, 작동 유체가 저렴하다는 장점이 있었다. 과거에는 전함의 포탑, 항공모함의 함재기 엘리베이터 등에도 널리 이용되었다. 그러나 실링이 어렵고 누설 손실이 크며, 녹이 발생하고, 응고점이 높아 저온에 약하며, 비등점이 낮아 고온에 약하고, 캐비테이션이 발생하기 쉬우며, 누출 시 전기 계통을 손상시키는 등의 문제로 인해 작동유가 개선되면서 유압으로 대체되었다.

항공기와 같이 무게에 민감한 기계에서는 경량화를 위해 전기 모터와 전선으로 대체하여 탱크, 펌프, 배관을 없앤 파워 바이 와이어 등이 고안되었다. 그러나 순수한 전기 구동 방식(ElectroMechanical Actuation/EMA)에는 아직 기술적 위험이 있어, 유압 구동 방식을 유지하면서 펌프는 액추에이터와 통합하여 분산시키고 기체에 연결되는 배관을 줄이는 전동 유압식(ElectroHydraulic Actuation/EHA)이 먼저 실용화되고 있다.^[7]

참조

_[1] 웹사이트 油圧復活、耐衝撃性でモーターに逆襲 川崎重工・ブリヂストンがロボットに https://xtech.nikkei[...] 日経クロステック 2020-06-01
_[2] 논문 油圧による柔軟で機動性の高い多脚ロボットの実現 https://doi.org/10.7[...] 2019
_[3] 논문 タフロボット用油圧アクチュエータ https://doi.org/10.7[...] 2019
_[4] 논문 電動モータと油圧システムの競演から協演へ https://doi.org/10.1[...] 電気学会 2016
_[5] 논문 次世代アクチュエータが切り拓く新しいロボティクス https://doi.org/10.7[...] 2015
_[6] 간행물 ロボット向け電油アクチュエータの開発 - 川崎重工 https://www.khi.co.j[...] 川崎重工
_[7] 웹사이트 電動航空機におけるアクチュエータ技術（超電導応用研究会シンポジウム） https://www.csj.or.j[...] 東京大学 2020-12-15