유압 실린더가 발생시키는 힘은 작용 압력과 유효 면적의 곱으로 구한다. 확장 시에는 피스톤 전체 면적을 사용하고, 수축 시에는 피스톤 면적에서 로드 면적을 뺀 링 면적을 유효 면적으로 사용한다.
유량(Q)과 속도(v)는 단면적(A)을 매개로 연결된다. 유속은 Q를 단면적으로 나눈 값이며, 피스톤의 전진 속도는 동일 유량을 실린더 단면적으로 나눈 값으로 구한다. 단위 환산(예: m³↔ℓ, sec↔min, mm↔m)에 주의하여 계산해야 한다.
펌프의 용량은 회전당 토출되는 유체 부피인 토출량과 시스템이 견딜 수 있는 압력의 조합으로 결정된다. 따라서 설계나 기기 선택 시 토출량과 정격 압력을 모두 고려하여 용량을 판단해야 한다.
유압 회로에서 흐름이 순간적으로 차단되면 유체의 운동에너지가 압력으로 바뀌어 서지압력(수격 현상)을 발생시킨다. 이 현상은 관로나 밸브, 펌프 등에 손상을 유발할 수 있으므로 급격한 차단 상황을 설계나 유지보수 시 고려해야 한다.
예제
대표 계산 1 — 실린더 직경과 펌프 유량 계산 문제를 푼다. 필요한 힘 500kN, 사용압력 240kgf/cm², 피스톤 속도 0.01m/s일 때 실린더 단면적은 힘을 압력으로 나누어 구한 뒤 면적에서 반지름을 찾아 직경으로 변환하면 약 163mm가 된다. 유량은 단면적×속도로 초당 부피를 구한 뒤 60을 곱해 분당 리터로 환산하면 약 12ℓ/min이 된다.
대표 계산 2 — 배관 유속과 피스톤 속도 계산 문제를 푼다. 펌프 토출량 15ℓ/min은 0.25ℓ/s이므로 배관 직경 6mm(반지름 3mm)의 단면적에 대해 유속 V=Q/A를 적용하면 약 5.31m/s가 된다. 피스톤 직경 32mm의 단면적으로 동일 유량을 나누면 피스톤 전진 속도는 약 0.31m/s가 된다.
대표 기출 3문항
펌프의 토출량이 15(ℓ /min)이고 유압 실린더에서의 피스톤 직경이 32(㎜),배관경이 6(㎜)일 때 배관에서의 유속과 피스톤의 전진 속도를 구하시오?
배관에서의 유속 : 5.31(m/sec), 피스톤 전진속도 : 1.87(m/sec)
배관에서의 유속 : 8.84(m/sec), 피스톤 전진속도 : 0.31(m/sec)
배관에서의 유속 : 53.1(m/sec), 피스톤 전진속도 : 18.7(m/sec)
배관에서의 유속 : 0.88(m/sec), 피스톤 전진속도 : 0.03(m/sec)
정답과 해설 보기
정답 ② · 문항은 주어진 유량으로 배관 내 유속과 실린더 피스톤의 전진 속도를 계산하는 문제이다. 유량 Q는 15 ℓ/min = 0.25 L/s = 0.00025 m³/s가 아니라 15 ℓ/min = 15/60 = 0.25 L/s = 0.00025 m³/s였으나 단위 변환 착오 가능성이 있으므로 올바른 접근으로는 Q=15 ℓ/min = 15×10⁻3/60 = 2.5×10⁻4 m³/s를 사용한다.
유속은 유량을 단면적으로 나누고, 피스톤 속도는 유량을 피스톤 단면적으로 나누어 계산한다.
유압펌프의 용량은 무엇으로 결정하는가?
펌프의 무게
유체의 압력과 속도
유체의 압력과 토출량
유체의 토출량과 속도
정답과 해설 보기
정답 ③ · 문제는 유압펌프의 용량을 결정하는 주요 요소를 묻고 있다. 펌프 용량은 일정 시간 동안 공급할 수 있는 유체의 일률적 능력으로 압력과 유량(또는 토출량)의 곱으로 정의된다.
펌프의 용량은 한 회전당 토출되는 유체의 부피인 토출량과, 시스템이 견뎌내는 최대 압력(정격 압력)의 조합으로 결정된다.
유압 프레스를 설계하려고 한다. 사용압력은 240kgf/cm² 필요한 힘은 500kN 이며 행정거리는 0.8m이다. 또한 실린더의 속도는 0.01m/sec라고 가정할 경우 실린더의 직경(mm) 및 펌프토출 유량(ℓ /min)은?
113mm, 11ℓ /min
123mm, 12ℓ /min
153mm, 11ℓ /min
163mm, 12ℓ /min
정답과 해설 보기
정답 ④ · 문항은 주어진 사용압력과 필요한 힘, 실린더 속도를 바탕으로 실린더 직경과 펌프 토출유량을 계산하는 문제이다. 힘과 압력으로 단면적을 구하고 그 면적에서 직경을 도출하며, 유량은 단면적×속도×60(분당 환산)으로 계산한다.
실린더 직경은 힘과 압력 비례로 구하고, 유량은 단면적과 속도의 곱에 분당 변환 계수를 적용한다.