유압 액추에이터 속도제어회로

왜 배우는가: 유압 액추에이터의 속도는 액추에이터로 흐르는 유량으로 정해지므로, 속도제어회로의 종류와 차이를 이해해야 여러 문항에 대응할 수 있다. 실무에서는 부하가 운동을 돕는지 방해하는지에 따라 회로를 골라 쓰며, 이 구분이 여러 회차에 걸쳐 반복해서 묻는 비교 주제이다.

출제 이력: 제126회 4교시 2번, 제122회 3교시 3번, 제101회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

유압 액추에이터 속도제어회로는 펌프에서 공급되는 유량을 유량제어밸브로 조절하여 액추에이터의 운동 속도를 제어하는 회로이다.

답안에 쓸 핵심 키워드는 속도제어, 유량제어밸브, 미터인 회로, 미터아웃 회로, 블리드오프 회로, 배압, 부하 방향, 릴리프 밸브이다. 세 가지 속도제어회로는 유량을 조절하는 위치에 따라 구분된다. 미터인 회로는 액추에이터 입구 측에서, 미터아웃 회로는 출구 측에서 유량을 교축한다. 블리드오프 회로는 액추에이터와 병렬로 여분의 유량을 탱크로 빼낸다. 세 회로의 차이는 교축 위치에서 생기므로 위치를 기준으로 구분해야 한다.

2. 개념 풀이

속도제어회로의 정식 정의는 다음과 같다. 유압 펌프의 토출 유량 가운데 액추에이터로 흐르는 유량을 유량제어밸브로 교축하여 액추에이터의 운동 속도를 원하는 값으로 정하는 유압회로이다. 여기서 교축(Throttling)은 유로의 단면적을 줄여 유량을 제한하는 작용을 뜻한다.

원리는 유압 실린더의 속도 관계식에서 출발한다. 피스톤 속도는 피스톤으로 들어가는 유량을 피스톤의 유효 단면적으로 나눈 값이다. 식으로 쓰면 v = Q ÷ A 이다. 여기서 v는 피스톤 속도(m/s), Q는 액추에이터로 흐르는 유량(㎥/s), A는 유압이 작용하는 피스톤 유효 단면적(㎡)이다. 따라서 유량을 바꾸면 속도가 바뀌고, 속도제어회로는 유량을 제한하거나 나누는 방법으로 이 값을 정한다.

펌프의 토출 유량은 펌프의 회전수와 용량으로 정해지므로, 액추에이터에 필요한 유량보다 많은 유량은 다른 경로로 돌려보내야 한다. 이 여분의 유량을 릴리프 밸브로 탱크에 되돌리면 펌프 토출 압력은 릴리프 밸브의 설정 압력으로 유지된다. 이것이 속도제어회로가 릴리프 밸브와 함께 구성되는 이유이다. 미터인 회로와 미터아웃 회로는 여분 유량을 릴리프 밸브로 탱크에 되돌린다는 점이 같다. 블리드오프 회로에서는 여분 유량이 유량제어밸브를 통해 탱크로 빠진다.

유량제어밸브는 밸브를 통과하는 유량을 조절하는 밸브이며, 교축 면적을 바꾸어 유량을 제한한다. 압력보상형 유량제어밸브는 유량조정부 앞뒤의 압력차를 일정하게 유지하여 부하가 변해도 설정 유량을 일정하게 흘려보낸다.

배압은 교축 때문에 액추에이터의 배출 측에 생기는 압력이다. 배압은 부하를 거슬러 액추에이터의 운동을 감속시키는 작용을 하므로, 부하 방향이 바뀌는 경우에 중요한 역할을 한다.

부하 방향은 부하가 액추에이터의 운동을 방해하는지 돕는지에 따른 구분이다. 운동을 방해하는 부하를 양(+) 부하라고 하고, 운동을 돕는 부하를 음(-) 부하 또는 마이너스 부하라고 한다. 이 구분에 따라 회로의 적합성이 달라진다.

미터인 회로는 액추에이터 입구 측 관로에 유량제어밸브를 두어 유입 유량을 제한하는 방식이다. 입구 측 압력은 펌프 토출 압력과 같고 릴리프 밸브의 설정 압력으로 정해지며, 액추에이터 입구 압력은 부하에 의해 결정된다. 부하가 운동을 방해하는 양의 부하에 적합하다. 반면 부하가 운동을 돕는 음의 부하에서는 배압이 생기지 않아 속도가 통제되지 않는 단점이 있다.

미터아웃 회로는 액추에이터 출구 측 관로에 유량제어밸브를 두어 배출 유량을 제한하는 방식이다. 출구 측에 배압이 발생하므로 부하가 작거나 음의 부하인 경우에도 속도가 제어된다. 이 때문에 속도제어회로 가운데 가장 일반적으로 쓰인다. 다만 부하가 작아지면 배압이 펌프 토출 압력보다 높아질 수 있으므로, 출구 측 압력 조건을 함께 고려해야 한다.

블리드오프(Bleed-off) 회로는 액추에이터와 병렬로 유량제어밸브를 설치하여 펌프 유량의 일부를 탱크로 빼내는 방식이다. 액추에이터로 들어가는 유량이 줄어들어 속도가 느려지며, 펌프 압력은 부하에 따라 결정된다. 불안정한 부하 상황에서 동작을 최적화하는 데 쓰이며, 초기 움직임을 느리게 할 때 활용된다.

3. 등장 배경과 필요성

유압 장치는 비압축성 작동유를 이용하여 작은 장치로 큰 힘을 얻는다. 그러나 펌프의 토출 유량은 펌프의 회전수와 용량에 묶여 있어 펌프만으로는 액추에이터의 속도를 자유롭게 바꿀 수 없다. 그래서 펌프 유량을 밸브로 나누거나 제한하는 속도제어회로가 필요해졌다.

건설기계의 굴착기, 지게차, 프레스 같은 장비는 부하가 시시각각 바뀌는 조건에서 작동한다. 부하가 액추에이터를 밀거나 끌어당기는 상황이 모두 생기므로, 입구 측만 제어하는 방식으로는 속도를 안정시키기 어렵다. 출구 측에 배압을 만드는 미터아웃 방식이 널리 쓰이는 이유가 여기에 있다.