유압 실린더 (Hydraulic Cylinder) 인입 및 인출 압력

아래 그림은 복동 유압 실린더의 회로도 및 각각의 포트를 보여준다. 자사에서는 보통 CO ( Cylinder Open) 및 CC (Cylinder Close) 라고 약속하고 회로도 작성 및 포트 마킹시 포트 구분을 이렇게 한다. 직접 일을 하는 어태치먼트의 죠 (Jaw) 나 암(Arm) 을 기준으로 하기 때문에 Close(닫힘) 또는 Open(열림) 이렇게 구분하기로 약속했었는데, CR (Cylinder Retract 실린더 인입) 및 CE ( Cylinder Extent 실린더 인출 ) 이라고 구분하는 게 좀 더 바람직할 것 같다는 생각을 해 본다.

​

포트명 옆의 화살표는 인출 및 인입시 각각의 가압 방향 ( 작동유가 흐르는 방향 )을 보여준다. 컬러로 표시하는 경우 고압을 빨간색 그리고 저압을 파란색으로 구분 표시하는 것이 일반적이다. 헤서 그림의 CC(CE) 포트로 빨간색 화살표 방향으로 작동유가 유입되면 실린더 로드가 좌측으로 움직이는 힘 (F_cc) 을 받는다. 이 때 파란색 화살표 방향으로 로드 쪽에 있던 작동유가 포트를 통해 유출된다. 당연히 압이 낮으므로 파란색으로 표시한다.

​

실린더 포트 유입 압력이 유출 압력보다 항상 높다는 가정하에 빨간색 파란색으로 구분하는데 이는 대부분의 경우에 해당된다. 물론 실린더 피스톤 면적 ( AD, 좌측으로 밀려고 하는 힘에 해당)이 고리 면적 ( AD-Ad, 우측으로 밀려고 하는 힘에 해당, 고리 면적 또는 도너츠 면적이라고 현장에서 표현하기도 한다 ) 보다 크기 때문에 입력측 및 출력측 포트 압력이 동일하여도 좌측으로 힘을 받는다. 하지만 이런 경우는 "배압은 최소화되어야 한다"는 중요한 원칙 중의 하나가 심하게 틀어진 경우이다.

​

로드 경이 160이고 튜브 내경이 230인 실린더의 경우를 예들 들어 보자. 피스톤 면적은 417cm^2 ( = 3.14/4 * 2.3^2 ), 로드 면적은 200 cm^2 ( = 3014/4*160^2 ) 이고 피스톤-로드 면적 (고리 면적 또는 도너츠 면적)은 이 둘의 차이인 217 cm^2 이다. 펌프가 견딜수 있는 압력 ( 메인 릴리프밸브 세팅압 )이 350 kg/cm^2 라고 가정 하자. 배압이 0 이라면 한다면 인출시 로드가 밀 수 있는 힘은 146 톤 ( = 417 X 350 / 1000 ) 에 육박하고 인입시 로드가 당길 수 있는 힘은 76톤 ( = 217 X 350 / 1000 ) 에 육박한다. 하지만 배압이 입력압과 동일하다고 하면 좌측으로 미는 힘은 이 차이인 70톤 밖에 되지 않는다. 실에 미치는 악영향은 둘째로 치자.

​

"기계-유압 효율 ( Mechanical-Hydraulic Efficiey) "이라는 개념이 있다. 로드가 좌측으로 움직이든 우측으로 움직이든 피스톤 실 그리고 웨어 밴드 ( 웨어링 )와 튜브 내부와의 마찰 때문에 기계적 손실이 생긴다. 기계적 손실이야 양쪽 방향 모두 동일하겠지만 기계-유압 효율의 크기는 인입 및 인출이 다르다. 인출시 기계-유압 효율은 95% 정도 되고, 인입시 효율은 85~90% 정도 보는 것이 일반적이다. 유량에 비해 작게 구성될 수 밖에 없는 포트 크기 때문에 작동유에 의한 손실이 인입시 생기는데 이는 유량의 차이에 의한다.

​

상기 예를 든다면, 피스톤 면적 그리고 피스톤-로드 면적 차이가 2배 정도 난다. 인출시 CC 포트를 통해 100 lpm의 유량을 보내면 반대쪽 CO 포트에는 절반에 가까운 52 lpm 이 토출되므로 유압 손실은 0라고 보는 게 타당하다. 하지만, 반대 방향, 즉 인입시 CO 포트를 통해 100 lpm의 유량을 보내면 반대쪽 포트에는 2배에 가까운 192 lpm 의 유량이 토출된다. 압력 손실은 유속에 비례 (해석에 따라서는 유속의 2승에 비례) 하기 때문에 유량/유속에 의한 압력 손실이 생기며 실에 의함 마찰력을 포함해 10~15%의 손실을 본다. 당연히 CO 및 CC 포트에서 컨트롤 밸브쪽으로 가는 호스의 크기와 길이가 동일하다는 가정이 필요하다.

​

배압은 최소화되여야 한다. 포트는 최대한 커야 한다. 유로의 길이는 최소화시켜야 한다.