기계공학/유체기계

유압유체(유압유, 작동유)

the artisan 2020. 10. 8. 05:00
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1 유압유체의 정의(작동유, 유압유)
  - 유압유체(Hydraulic fluid)는 유압시스템에서 동력을 전달하는 기능을 한다.
  - 유압유체는 윤활/누설방지/냉각/녹방지의 역할도 수행한다.
  - 유압시스템의 고장 발생의 약 60%가 유압유체의 관리를 잘못한데서 비롯되므로 철저한 관리가 필요하다.

2 유압유체의 특징
 1) 유압유체에 요구되는 특성
   ① 압축성 : 압축성이 낮아야 유체시스템의 응답이 빨라진다. 압축성이 높으면 쿠션 역할을 할 수 있다.
   ② 점성 : 적절한 점도를 가져야 하며, 온도 및 압력변화에 따른 점도 변화가 적어야한다. 유압유체의 유동점(Pour Point)이 낮아야한다.
   ③ 윤활성 : 유체기계의 상대운동부위에 강인한 유막을 형성해야 금속마모 및 늘어붙음을 막을 수 있다.
   ④ 방기성 : 소포성이라고도 부르며 유압유체에 혼입된 기포가 신속하게 표면까지 떠올라 제거되는 정도를 뜻한다. 방기성이 낮을 경우 작동유체의 산화 또는 응답성 저하를 야기하므로 방기성이 높아야한다.
   ⑤ 항유화성 : 수분의 분리가 쉬야야 수분에 대한 제거가 용이해진다. 수분은 유체기계의 발청 성능저하를 유발한다.
   ⑥ 청정분산성 : 유체기계를 오염하는 슬러지 및 금속물질을 씻어내야 유체기계의 성능을 일정하게 유지할 수 있다.
   ⑦ 무독성, 안정성

 2) 유압유체의 물리화학적 성질
   ① 밀도
     - 유압유의 밀도는 온도가 증가함에 따라 감소하고 압력증가에 따라서 증가한다.
   ② 점도, 동점도
     - 일반적으로 사용되는 물, 기름 공기와 같은 유체에서는 점도계수가 속도구배의 크기와는 무관하게 일정하며 이러한 유체를 뉴턴유체라한다.
    - 점성계수를 밀도로 나눈 값을 동점도(Kinematic viscosity)라 부른다.
    - 점도의 단위는 St(Stokes)와 ㎡/s 가 있다.
      * 1St=10^-4㎡/s, 1cSt=10^-2St=10^-6㎡/s
      * 1St는 매우 큰 수치로 일반적으로 cSt를 사용한다.
    - 점도는 VG10, 22, 46으로 적는데 기록된 수치는 해당 유압유체의 40℃에서의 동점도(㎟/s)를 나타낸다.
    - 가장일반적으로 사용하는 작동유는 VG46이며 한랭지역에서는 VG32, 열대지역에는 VG68이 적용된다.
    - 유압장치에서 허용되는 유압유체(석유계)의 동점도 영역은 다르다. 반드시 성적서를 확인하고 알맞는 작동유를 적용해야한다.
   ③ 점도지수(VI)
     - 유압유체의 점도는 일반적으로 온도가 변함에 따라서 큰폭으로 변한다. 점도지수(Viscosity Index)란 온도변화에 따른 점도 변화의 정도를 나타내기 위한 상대적인 척도이다.
     - 점도지수는 평가를 위한 비교기준으로 미국의 펜셀베니아산 파라핀계 기초유와 텍사스(걸프만) 나프텐계 기초유가 선택되었다. 온도변화에 따라 점도변화가 크지않은 파라핀계와 그 반대인 나프텐계유를 각각 VI100 VI0으로 정하고 VI의 평가에 사용되는 기름은 210℉(98.9℃)부터 100℉(37.8℃)까지 냉각시킬때의 점도변화로 점도 지수를 정한다.

       * VI=(L-U)/(L-H)x100
       *  L : VI100의 동점도 119.94㎟/s
       *  H : VI0의 동점도 50.48㎟/s
       *  U : 측정유체의 동점도(㎟/s)

   ④ 압축율, 체적탄성계수
     - 압력에 따른 유압유체의 체적변화는 매우작지만 큰 부하를 고속으로 구동하는 경우에는 유압유체의 압축성을 고려해야한다.(미션등)
     - 유압시스템에서 체적탄성계수는 일반적으로 210bar에서 K=0.5~1x10^4정도이다.
   ⑤ 용해되는 가스의 양
   ⑥ 비열 유동점 인화점
     - 비열은 냉각기의 용량을 결정할때 필요한 특성값이다. 석유계 유압유체의 정적비열은 물의 비열의 0.4~0.5배 정도이다(1.67~2.10kj/kg℃)
     - 유동점은 ISO3016으로 규정되어 있으며 매우 낮은 온도에서도 사용할 수 있는 유압유체가 되려면 저온유동성이 확보되어야 한다.
     -인화점은 ISO2592와 ISO2719에 규정되어 있으며 대기압하에서 서서히 가열하면서 불꽃을 가까이 대었을때 점화가 일어나는 최저온도이다.
   ⑦ 중화가 / 산화안전성
     - 유압유체의 노화는 유압유체의 산화(유체와 산소의 반응)와 관련있다.
     - 유압유체의 산화는 높은온도, 금속, 수분, 빛에 의해 촉진된다. 석유계 유압유체의 경우에는 온도의 영향이 매우크다.(작동온도 80℃ 이상에서는 온도가 10℃ 증가할때마다 산화반응속도가 약 2배로 증가한다.)
     - 유압유체의 산화가 진행됨에 따라 각종 산화생성물, 산화물질과 불용성 슬러지가 생성되고 유압부품의 부식, 필터의 막힘등의 장애가 발생한다.
   ⑧ 소포성 방기성

     - 유압유체에 소포제를 첨가하면 소포성이 개선된다.

 

  # 디젤효과(디젤현상)
    - 유압유체에는 미세공기가 존재하며 급격히 가압받거나 구동으로 인한 열을 받을 경우 온도가 올라가는데 자연착화가 일어날 수 있다. 이러한 현상을 디젤효과라 하며 방기성 소포성을 이용하여 공기를 빠르게 제거해야 내부폭발에 따른 유체기기 손상 실의 손상을 막을 수 있다.

 3) 유압유체의 분류

  ⓞ 기초내용
     - 유압유체는 일반적으로 기초유체와 첨가제를 부가하여 제조된다.
     - 유압유체의 분류는 ISO6743-4에 규정되어 있다.
  ① 석유계 유압유체
     - 석유계 유압유체는 성능, 경제성, 관리의 편리성등에서 유리하나 연소가 가능하다는 단점이 존재한다.
     - 원유로부터 증류 공정을 거쳐 가솔린 등류 경유를 제외한 잔유에서 진공증류를 통해 윤활유 유분을 얻고 정제공정을 거쳐 기초유를 만든다.
     - 석유계 유압유체의 종류
       * 무첨가유(HH) : 기초유 자체
       * R&O형 유압유(HL) : 기초유에 부삭방지제(Rust inhibited)과 산화방지제(Oxidation inhibited)가 첨가되며, 소포제, 유동점강하제를 첨가한다. 일반적으로 사용됨
       * 내마모성 유압유(HM) : R&O유압유에 마모방지 첨가제 추가
       * 고점도 지수 유압유(HR) : R&O 유압유에 점도지수향상을 위한첨가제(폴리머)를 적용한 유압유
       * 다목적 유압유 : 미끄럼윤활겸용 유압유, 기어베어링압축기 윤활겸용 유압유
  ② 합성계 유압유체
     - 합성계 유압유체는 원유에서 분리된 나프타로부터 인공적으로 합성한 유체이다.
       * 인산에스테르계(HFDR) : 난연성을 가진것이 특징(인화점 250℃), 금속과는 적절하나 고무재질에는 나쁜영향을 미치므로 특정한 실을 사용해야함
       * 지방산 에스테르계(HFDU) : 윤활성이 양호하고 점도지수가 높으며 산화안정성 고온 저온 안정성이 우수하다. 난연성질이 미흡
       * 특수합성계 : 폴리올레핀계, 실리콘계 등 고온에서 안정적이나 가격이 비쌈
   ③ 함수계 유압유체
     - 물을 다량으로 포함하여 난연성을 가지나 윤활성 부식방지성이 떨어지고 캐비테이션이 발생하기 쉽다.
     - 저렴한 제조비용이 특징이며 난연성을 이용하여 화재위험이 높은 상황에 적용됨
       * 물-글리콜계(HFC) : 물40%-글리콜40%-수용성증점제15%-첨가제5%로 구성. 윤활성 부식방지성의 특성이 있어서 가장 많이 쓰임
       * W/O 에멀전형(HFB) : 석유계 유압유체속에 40~50%의 수분을 미립자로 분산시킨것. 여기에 각종 첨가제를 함유
   ④ 환경친화형 유압유체
     - 생분해성 유압유체라 불리며(Biologically resolvable) 선진국에서의 환경규제강화로 점차 사용량이 늘어나고 있음
       * 트리글리세라이드 유압유체(HETG) : 식물유가 주성분으로 윤활성 부식방지성이 우수하고 NBR FKM실과도 적합성우수하나 사용온도가 석유계에 비해 좁아서 온도관리가 필요
       * 폴리글리콜 유압유체(HEPG) : 폴리글리콜을 기초로 제조되는 합성계 유압유체로 윤활성 부식방지성능이 우수하며 점도-온도특성도 우수하나 불소고무 실만 적용가능함. 물과 섞일경우 유체특성이 손상되며 석유계유압유가 혼입되면 고형침전물이 발생함
       * 합성에스테르 유압유체(HEES) : 합성에스테르를 기초로 제조되는 합성계 유압유체로 생분해성이 강하며 윤환성 부식방지성이 우수하다. NBR&KFM실과도 적합하며 수분분리성도 있어서 수분만 드레인 가능하다.

 

 4) 유압유체의 관리
   ① 오염도 관리
     - ISO4406는 유압유체속의 오염입자숫자를 세어서 오염을 판단한다.
     - A/B/C로 기술되며 각각 4㎛, 6㎛,14㎛ 세가지 입주수로 표현한다.
   ② 플러싱에 의한 오염관리
   ③ 온도관리
     - 온도가 낮을때는 흡입저항이 증가하여 캐비테이션이 발생하기 쉽다
     - 온도가 높을경우 노화가 촉진되며 점도저하에 따른 누출이 발생하기 쉽다
     - 함수계 유압유체의 경우 온도가 0℃이하로 떨어질경우 유화상태가 파괴되어 사용불능이 된다.

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