유압 작동유 구비조건

왜 배우는가: 유압 작동유는 동력 전달과 기계 보호를 함께 맡아 건설기계의 가동률과 수명을 좌우한다. 구비조건은 여러 교시에 걸쳐 출제되는 기본 항목이므로 용어 정의와 항목 나열을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제135회 1교시 10번, 제119회 1교시 1번, 제114회 2교시 6번, 제102회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

유압 작동유는 유압장치에서 동력을 전달하는 매개체이면서 윤활·밀봉·냉각 기능을 함께 맡는 유체이다. 유압 작동유(작동유)는 펌프가 만든 압력을 실린더와 모터 같은 액추에이터까지 전달하여 힘과 운동으로 바꾸는 유체이다. 일반적으로 석유계 윤활유를 기유로 쓰고 여기에 여러 첨가제를 섞는다. 다만 화재 위험이 있는 현장에서는 불연성 계열의 작동유를 쓴다. 따라서 구비조건은 동력을 전달할 수 있는지뿐 아니라 기계 부품을 얼마나 오래 보호하는지를 함께 묻는 기준이다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 동력 전달 매개체: 압력 에너지를 액추에이터까지 옮기는 기본 기능이다.
• 윤활성: 접동부 사이에 유막을 만들어 마찰과 마모를 줄이는 성질이다.
• 밀봉·냉각: 틈새를 막아 누유를 줄이고 발생한 열을 흡수하는 기능이다.
• 점도·점도지수: 유동 저항의 크기와 온도에 따른 변화 정도를 나타내는 기준이다.
• 비압축성: 압력을 받아도 부피가 거의 변하지 않아 힘과 속도를 정확히 전달하는 성질이다.
• 산화안정성: 고온과 장기 사용에서도 변질되어 슬러지를 만들지 않는 성질이다.
• 난연성 작동유: 화재 위험이 있는 곳에 쓰는 합성계·함수계 계열의 작동유이다.

2. 개념 풀이

작동유의 구비조건은 유압장치 안에서 작동유가 동력 전달, 윤활, 밀봉, 냉각, 방청, 세척 기능을 안정적으로 수행하기 위해 갖춰야 할 물리·화학적 성질의 집합이다. 이 기능들은 서로 맞물려 있어 한 성질만 좋아도 전체 성능을 보장하지 못한다.

원리는 파스칼의 원리에서 출발한다. 밀폐된 액체에 가해진 압력은 모든 방향으로 같게 전달되므로, 펌프가 만든 압력은 작동유를 통해 실린더 피스톤까지 전달된다. 이때 작동유가 압축되면 그만큼 힘이 흡수되어 액추에이터의 응답이 느려지므로 작동유는 비압축성에 가까워야 한다. 이 성질은 체적탄성계수가 클수록 강해진다.

작동유는 동시에 펌프, 밸브, 실린더 내부의 접동부에서 윤활 역할을 한다. 점도가 너무 낮으면 유막이 얇아져 마모와 내부 누설이 늘고, 너무 높으면 흡입 저항과 유동 손실이 커져 효율이 떨어진다. 따라서 적당한 점도를 유지하고, 온도가 바뀌어도 점도 변화가 작아야 한다. 점도지수가 높을 것이 요구되는 이유이다.

산화는 작동유가 고온과 공기에 노출될 때 일어나는 가장 큰 열화 현상이다. 산화가 진행되면 점도가 올라가거나 검(gum) 상태의 생성물이 생겨 접동부가 무거워진다. 산화방지제는 산화 중합을 억제하여 이를 막는다. 작동유 온도가 과도하게 오르면 산화가 빨라지므로 방열성도 함께 요구되며, 온도 상승이 예상되는 유압계통에는 온도 릴리프 장치가 필수적으로 갖춰져야 한다.

작동유에 공기가 섞여 기포가 생기면 기포가 압축되어 비압축성이 깨지고, 힘과 속도의 응답이 불규칙해지며 소음도 커진다. 그래서 기포를 빨리 터뜨리는 소포성이 필요하다. 또 금속 마모 분말과 오염 입자를 떠 있게 하여 필터로 운반하는 세척성도 필요하다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 점도지수는 온도 변화에 따른 점도 변화를 나타내는 지표이며, 값이 클수록 온도에 덜 민감하다.
• 체적탄성계수는 압력 변화에 대한 부피 변화의 저항을 나타내며, 클수록 작동유가 비압축성에 가깝다.
• 인화점·발화점은 작동유가 가열되어 불이 붙는 온도이며, 높을수록 화재 위험이 낮다. 인화점·발화점이 높을 것
• 소포성은 기포를 빨리 소멸시키는 성질이며 기포방지성이라고도 한다.
• 항유화성은 작동유가 물과 섞여 유화되는 것을 막는 성질이다.
• 방청성은 금속 표면의 녹과 부식을 막는 성질이다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 유압장치는 물 같은 비압축성 액체를 작동 유체로 쓰기도 했으나, 물은 윤활성과 방청성이 부족하여 금속 부품을 보호하기 어렵다. 그래서 윤활성과 방청성을 갖춘 오일계 작동유가 표준 매개체로 자리 잡았다. 현재는 석유계 작동유가 가장 널리 쓰이고, 화재나 환경 요구가 있는 곳에서만 난연성 작동유나 생분해성 작동유를 선택한다.

건설기계 유압장치는 밸브로 힘과 속도를 제어하면서 큰 힘을 짧은 시간에 내야 하는 작업이 많다. 동력은 힘과 속도의 곱으로 나타나므로, 작동유가 압력을 손실 없이 전달하는 능력이 곧 작업 능력이 된다. 여기에 작동유가 윤활과 밀봉과 냉각까지 함께 맡으면서 작동유의 품질이 장비의 수명과 가동률을 좌우하는 구조가 되었다.

유압장치의 단점도 구비조건이 왜 필요한지를 보여 준다. 유압장치는 온도의 영향을 쉽게 받아 점도가 변하고 효율이 함께 변한다. 작동유에 먼지가 들어가면 밸브와 펌프가 손상되며, 화재 우려가 있는 곳에서는 일반 작동유 사용이 곤란하다. 이런 단점을 줄이려면 점도 변화가 작고, 오염과 화재에 강한 작동유를 골라야 한다.