2. Physical Properties of Hydraulic Fluids Primary Functions of a Hydraulic Fluid Properties of Hydraulic Fluids Liquids & Gases Specific weight, Density & Specific gravity Force, Pressure & Head Gauge Pressure & Absolute Pressure Conversion of Units Bulk Modulus Kinematic viscosity & Absolute viscosity Viscosity & Viscosity Index 2.A Additive of Hydraulic Fluid -1-
Hydraulic Fluids -2-
2.1 Hydraulic Fluids Primary Functions of a Hydraulic Fluid Transmit power: Power 와 Signal 의전달매체 Lubricate moving parts: 윤활, 방청 Seal clearances between mating parts: 밀봉 Dissipate heat: 열발산, 냉각 -3-
Primary Functions of a Hydraulic Fluid 유압동력전달 Fig. 1 유압동력의전달과정 -4-
Primary Functions of a Hydraulic Fluid( 계속 ) 작동부분의유체윤활, 밀봉 Fig. 2 작동부분의유체윤활 -5-
Primary Functions of a Hydraulic Fluid( 계속 ) 시스템의순환냉각 Fig. 3 시스템의순환냉각 -6-
Demanded Properties of a Hydraulic Fluid 적정한유동성과점도 점도 - 온도변화는작아야하며, 저온유동성이좋고전단안전성이우수할것윤활성기기의습동부에대하여양호한윤활성능을가지고마모를작게하여소착을방지할수있어야할것 열및산화안정성 열및산화노화에따른부식성산및슬러지를생성하지말고장기간사용에견딜수있을것방청및부식성철, 비철금속에대하여녹및부식성을가지지말것 수분및이물질의분리성유중에흡입된수분을분리함과동시에유화가어렵고먼지등의이물질과도분리가쉬울것기포성, 방기성유중에기포가생기지말아야하며, 기포생성시에는분리가쉽고유면으로방출이쉬울것 압축성 : 압축성이작을것씰재료, 도료와의적합성씰재료, 패킹재료, 도료에대하여적합성을가질것기타독성이없을것, 용도에따라서는내화성을가질것 -7-
Properties of a Hydraulic Fluid Physical Properties 장치의정상적작동에필요한성질 비중, 비열, 인화점, 점도특성, 압축성, 기포성, 증기압 Chemical Properties 장기간의운전에필요한성질 열안정성, 산화율, 산도, 방청성, 내마모성, 패킹재료및도료에대한영향성 -8-
ISO 안에의한유압작동유의분류 광유계작동유 ISO-L-H 난연성작동유 ISO-L-HF 무첨가정제광유 ( 터빈유, 순광유 ); ISO-L-HH 방청성및산화안정성부가정제광유 (R&O 작동유 ); ISO-L-HL HL유에내마모성부가 ( 내마모성작동유 ); ISO-L-HM HL유에점도-온도특성부가 ( 고점도지수작동유 ); ISO-L-HR HM유에점도-온도특성부가 ( 고점도지수내마모성작동유 ); ISO-L-HV HM유에스틱슬립성부가 ( 접동면향상내마모성작동유 ); 함수계작동유 ( 함수계내화성작동유 ); ISO-L-HF O/W(oil in water) 에멀젼 ( 솔루블유 ); ISO-L-HFA W/O(water in oil) 에멀젼 ( 에멀젼유 ); ISO-L-HFB 수- 글리콜 ; ISO-L-HFC 에스테르계작동유 ( 합성계난연성유 ); ISO-L-HFD 인산에스테르 ( 인산에스테르유 ); ISO-L-HFDR 염소화탄화수소 ( 현재사용하지않는다 ); ISO-L-HFDS 인산에스테르 + 염소화탄화수소 ( 현재사용하지않는다 ); ISO-L-HFDT 지방산에스테르 ( 폴리올에스테르유 ); ISO-L-HFDU -9-
Maintenance of a Hydraulic Fluid 유압유의교체시기판단 점도와산도증가한때 교체는시스템의작동온도에서해주는것이좋다. 과거 현재 유압유의오염가능성만으로교체 유압유보존의필요성증가 유압유검사장치이용 유압유유상태지표 점도, 물함유량, 외부입자에의한오염수준 -10-
2.2 Fluids: Liquids & Gases Fluids: Liquids & Gases Liquid 질량이일정하면담긴용기의모양에관계없이부피가일정한유체비압축성으로간주압력변화가있어도액체의부피변화가없다. Gas 기체의부피는담긴용기를채우도록변한다. 압력이증가하면기체의부피는작아지고, 압력이감소하면부피는커진다. -11-
Advantages of Air Advantages of air: 전달매체 난연성지저분하지않다. 공기중으로다시배출가능 Disadvantages of air 압축성 : 정확한위치제어불가능 느린응답속도 부식성 : 산소와물함유 윤활유첨가 폭발위험성 : 250psi (17.5bar) 이하의압력에서사용 -12-
2.3 Specific Weight, Density, Specific Gravity Mass 물체를구성하는물질의양 [kg] Weight 물체에작용하는지구중력 F = W = mg [N], [kgf] g : 중력가속도 (9.81m/s 2 ; 32.2ft/s 2 ) Weight density: Specific weight : γ 단위부피당무게 = 무게 / 부피물의무게밀도 : 62.4lb/ft 3 = 999kgf/m 3 Specific gravity 유체의무게밀도를물의무게밀도로나눈값 : 무차원물의비중 : 1 Mass density : Density : ρ 단위부피당질량 = 질량 / 부피질량밀도 = 무게밀도 / 중력가속도 γ =ρ g 물의밀도 : 1.94slugs/ft 3 = 999kg/m 3 (60F, 대기압하민물 ) -13-
2.4 Force, Pressure, Head Force 물체의모양이나운동상태를변화시키는원인이되는물리량 Pressure Head 단위면적당작용하는힘 P = F/A 압력수두 : 1ft 높이의물 1ft 물에의한압력 : P = 62.4lb/1ft 2 = 62.4psf = 0.433psi 압력은액체기둥의밑면넓이에는무관, 액체기둥의높이와무게밀도에만의존압력 = 무게밀도 X 수두 P(psi) = 0.433 H(ft) S g -14-
Atmospheric Pressure Atmospheric Pressure 단면적 : 1in 2 대기권까지뻗어있는공기기둥무게 : 14.7lb 해수면에서의압력 : 1atm = 14.7psi -15-
Gauge Pressure & Absolute Pressure Gauge Pressure 대기압에대해상대적으로측정한압력 psig, psi Absolute Pressure 외계에존재하는완전한진공상태의압력에대해상대적으로측정한값 psia 절대압력 = 게이지압력 + 대기압 진공압력이나흡입압력은유공압시스템의어떤특정부분에서존재 ( 예 : 펌프의흡입구 ) -16-
2.5 Conversion of Units SI metric system 1960년, 세계표준기구길이 (m), 질량 (kg), 힘 (N), 시간 (sec), 온도 ( o C) Length, Mass, Force 1in = 0.0254m 1ft = 12in = 0.3048m 1slugs = 14.6kg 1lb = 4.45N Pressure 1Pa = 1N/m2 1psi = 6,897Pa 1bar = 10 5 Pa = 14.5psi 1,000psi = 70bar 대기압 = 1.01bar = 101,000Pa = 14.7psi Density 물의질량밀도 : 999.1kg/m 3 @ 60 o F(15.6 o C) Temperature T F = 9/5 X T C + 32 T C = 5/9 X (T F 32) T K =T C + 273.15 SI 미터법접두사 T: tera, G: giga M: mega, K: kilo c: centi m: milli, u: micro, n: nano, p: pico -17-
2.6 Bulk Modulus Bulk Modulus( 체적탄성계수 ) 비압축성의척도 체적탄성계수가클수록유체는더큰강성을갖고있어압축되기가어렵다. ΔP P ΔP P β = = V ΔV / V ΔV 전형적인유압유의체적탄성계수 : 250,000psi (1,720MPa) 종류 압축률 체적탄성계수 비고 [cm 2 /kgf] [kgf/cm 2 ] 석유계작동유 6.0 X 10-5 1.7 X 10 4 5.2~7.2 X 10-5 1.4~1.9 X 10 4 항공작동유 (MIL H 5606A) 5.0 X 10-5 2.0 X 10 4 압력 40~60kgf/cm 2 각종연료유 50X 5.0 X 10-5 20X 2.0 X 10 4 수-글리콜 W/O 형에멀젼인산에스테르 2.9 X 10-5 4.4 X 10-5 3.3 X 10-5 3.5 X 10 4 2.3 X 10 4 3.0 X 10 4 20 o C, 700kgf/cm 2-18-
2.7 Viscosity 점도란유체의흐름에대한저항정도를의미하며, 유동성 (Fluidity) 의역수이다. 유체가쉽게흐른다는말은점도가낮다는것을의미하며, 유체가어렵게흐른다는말은점도가높음을의미한다. 점도의정의절대점도 (absolute viscosity) 단위 : centipoise [cp] 동점도 (kinematic viscosity) 단위 : centistokes [cs] 상대점도 (Saybolt Universal Seconds[SUS]) SAE Number -19-
Absolute Viscosity ; μ 유체의한층과다른층사이의저항으로서의점도 고정평판에서단위거리떨어진오일위에단위넓이를가진상판을단위속도로움직이는데필요한힘 단위 : Poise [dyne.sec/cm 2 ; kg/cm.sec] 절대점도 = 전단스트레스 (shear stress) 전단율 (rate of shear) dyne.sec 1Poise= 1 cm 2 = 100 CentiPoise [cp] -20-
Kinematic Viscosity ; ν 일정량의오일이중력에의해모세관을흐르는데걸리는시간 절대점도계수를유체의밀도로나눈것 단위 : Stokes [cm 2 /sec] 동점도 = 절대점도밀도 Poise Stokes = Density = 100 CentiStokes -21-
SUS (Saybolt Universal Seconds) Viscosity 대부분의실제용도에서는유체의상대점도가다루어지는데, 상대점도는주어진온도에서표준오리피스를통과하는유량의시간측정에의해결정된다. Thick liquid 는서서히흐르므로, SUS 점도는 Thin liquid 보다크다. 오일은온도에따라성질이바뀌므로, 점도는주어진온도에서의 SUS 로서표현되어야하며, 시험은주로, 100 o F(37.78 o C) 또는 210 o F(98.89 o C) 에서수행된다. 산업용으로유압유점도는대개 100 o F에서 150SUS근처에있으며, 일반적으로 45SUS~4000SUS 사이에서쓴다. -22-
Saybolt Viscometer Fig. 5 상대점도의측정 -23-
SAE Number SAE Number 는미국 SAE 에의해 SAE 시험온도에서오일의 SUS 점도의범위를특정지은것이다. 겨울용 (5W, 10W, 20W) 은 100 o F 에서시험한것이며, 여름용 (20, 30, 40, 50) 은 210 o F 에서의 SUS 범위를가리킨다. -24-
Capillary Tube Viscometer -25-
점도가유압시스템에미치는영향 점도가너무높으면, 점도가너무낮으면, 마찰력을증대시키고, 유체흐름의저항을높인다. 마찰손실에의한동력소모가증가한다. 마찰에의한온도상승이일어난다. 저항에의한압력강하가증가한다. 완만하거나느린작동이발생할수있다. 탱크내의오일로부터공기를분리하기가어렵다. 내부누유가증가한다. 과대한마모또는움직이는부분사이의유막이깨져과대하중에대한늘어붙음 (siezure) 이발생할수있다. 액츄에이터의느린동작으로인하여펌프효율이감소한다. 누유손실로부터온도가증가한다. -26-
2.8 Viscosity Index (VI) 점도지수란온도변화와함께점도변화에대한유체저항의임의측정치로서, Dean과 Davis가주창한점도-온도특성평가지수를말한다. 온도변화에대한점도변화의상대적인척도작은 VI 를가진오일 : 온도변화에대한큰점도변화큰 VI 를가진오일 : 상대적으로안정된점도의오일 극한온도에서상대적으로안정한유체는높은 VI 를갖는다. 즉, 추울때매우 thick 해지고, 더울때매우 thin 해지는유체는낮은 VI 를갖는다. 온도변화에따른점도변화율이비교적적은 Pensilvania계유압유의 VI를 100으로하고, 점도변화율이큰 Gulf-Coast계유압유의 VI를 0 으로한다. 원래의 VI는 0~100 사이의값으로, 가장좋은 VI 특성에대한비로서표현하는데, 오늘날화학첨가제로인하여 VI가증가, 100이상의값을갖기도한다. -27-
점도지수 (VI): 온도변화에따른점도측정 Fig. 6 온도에따른점도지수의변화 -28-
2.A 첨가제 첨가제란정제윤활기유에일정량첨가시키는물질로윤활유자체의품질을높이거나성능을향상시키는화학물질을말한다. 점도지수향상제 유압유기유의방향족성분을제거함으로써점도지수향상 산화방지제 유압유속산의생성억제, 금속표면에피막형성으로산화물과의접촉방지 방청제 유압유에섞인수분이금속표면에접촉하는것을방지 유성향상제 윤활성을향상시켜두금속표면의고체마찰과늘어붙음을방지 소포제 유동중의유압유속에생기는기포를빨리유면에부상시켜기포를제거 유동점강하제 유압유속에포함된 wax성분이저온하에결정으로성장하는것을방지 -29-
2.B Chemical Properties of Hydraulic Fluids Pour point ( 유동점 ) 작동유의온도가내려감에따라점도증가, 유동점이하에서는유동성상실 -> 시스템의작동불량응고점은보통유동점보다 25 o C 아래석유계유압유의유동점은보통 - 25 o C 정도 Flash point ( 인화점 ) 과 Firing point ( 발화점 ) 석유계유압유의경우 180~240 에서인화, 발화점은인화점보다 20~40 o C 높다. 시스템의운전온도에제한을줌 고온에서는난연성작동유요구 Oxidation ( 산화 ) 열, 빛촉매등이원인작동유의온도가높을수록산화촉진 유압유노화 Aeration 미세한기포상태의공기가작동유에혼입되어있는상태 원인 영향 회로내의작동유의소용돌이흐름으로기포혼입 작동유가 jet 상태로될때 불포화상태의작동유가갑작스런압력강하에의해과포화상태로되면작동유에녹아있던공기가기포화됨 펌프흡입구의 cavitation, 서어지와같이진동적으로압력변화가생길때 effective bulk modulus 감소 시스템의작동불량 고압하에서기포의단열압축으로심각한열발생 부품의파손, 노화 작동유의열화촉진 -30-
2.C 업체별제품의특성 ( 일반작동유 ) 용도 : 모든산업용유압장치및순환계통용 업체별작동유특성 시험항목제품명 DAPHNE 쌍 FLUID H 32 용 DAPHNE 정 FLUID H 46 유 DAPHNE FLUID H 68 ZIC SUPERVIS 32 유 ZIC 공 SUPERVIS 46 ZIC SUPERVIS 68 비중동점도 [cst] 인화점점도유동점색 (15/4 o C) 40 o C 100 o C ( o C) 지수 ( o C) (ASTM) 0.8623 32.4 5.59 231 110-30.0 L0.5 0.8661 46.8 7.11 236 110-27.5 L0.5 0.8670 68.0 9.26 258 112-25.0 L0.5 0.84 32.3 5.8 228 123-35.0 0.5 0.85 46.2 7.1 232 114-32.5 0.5 0.87 65.9 8.7 246 104-30.0 1.0 이 AZOLLA 32 0.8673 32 5.4 222 104-30 L1.0 수화 AZOLLA 46 0.8714 46 6.9 232 106-28 1.0 학 AZOLLA 68 0.8767 68 8.8 240 103-25 L1.5 비고 다목적범용유압작동유 일반유압작동유, 기어유, 베어링유 베어링, 유압접동면, 기어윤활 -31-
업체별제품의특성 ( 일반작동유 ) 업체별작동유특성 시험항목비중동점도 [cst] 인화점점도유동점색제품명 (15/4 o C) 40 o C 100 o C ( o C) 지수 ( o C) (ASTM) Loca R&O 0.870 32.0 5.33 210 98-30.0 L1.0 한 Hydraulic Oil 32 Loca R&O 국 0.876 46.0 6.69 220 97-30.0 L1.5 Hydraulic Oil 32 쉘 Loca R&O 0.880 68.0 8.61 226 97-27.5 L2.0 Hydraulic Oil 32 한 Energol HP 32 0.892 30 5.0 201 100-20 L1.5 화에너 Energol HP 46 0.895 46 6.4 210 100-20 1.5 지 Energol HP 68 0.906 68 8.2 219 100-20 2.0 비고 일반작동유, 기계유 일반유압작동유 호 Rando 32 0.866 31.0 5.5 221 112-33 L0.5 남정 Rando 46 0870 44.0 68 232 109-27 L0.5 유 Rando 68 0.875 65.0 8.8 243 108-27 L1.0-32-
2.D 업체별제품의특성 ( 내마모성작동유 ) 용도 : 고온, 고속, 고압, 또는산업용중장비유압장치용 업체별작동유특성 시험항목제품명 DAPHNE 쌍 FLUID AWH 32 용 DAPHNE 정 FLUID AWH 46 유 DAPHNE FLUID AWH 68 ZIC SUPERVIS AW 32 유 ZIC SUPERVIS 공 AW 46 ZIC SUPERVIS AW 68 비중동점도 [cst] (15/4 o C) 40 o C 100 o C 인화점 ( o C) 점도지수 유동점 ( o C) 색 (ASTM) 0.8621 31.96 5.62 216 115-35.0 L0.5 0.8652 45.72 7.10 230 114-32.5 L0.5 0.8700 67.59 9.22 240 113-30.0 L0.5 0.87 30.9 5.6 226 121-35.0 1.0 087 0.87 43.8 68 6.8 236 111-32.5 10 1.0 0.88 65.7 8.7 254 103-27.5 1.5 이 AZOLLA ZS 32 0.8668 32 5.4 225 110-30 L1.0 수화 AZOLLA ZS 46 0.8715 46 6.9 235 106-28 1.0 학 AZOLLA ZS 68 0.8774 68 8.8 245 105-25 1.0 비고 각종산업기계의유압장치용 내마모성유압작동유 고압피스톤펌프, 서보밸브장착, 정밀유압장치용 -33-
업체별제품의특성 ( 내마모성작동유 ) 업체별작동유특성 시험항목비중동점도 [cst] 인화점점도유동점색제품명 (15/4 o C) 40 o C 100 o C ( o C) 지수 ( o C) (ASTM) Shell Tellus Oil 0.8700 32.0 5.4 224 105-35.0 L0.5 한 Z 32 Shell Tellus Oil 국 0.8727 46.0 6.9 228 105-35.0 L1.5 Z 32 쉘 Shell Tellus Oil 0.8877 68.0 8.6 228 101-35.0 L1.5 Z 32 비고 내마모성유압유, 기계유 한 Energol HLP 32 0.876 32 5.4 216 108-30 1.0 화에너 Energol HLP 46 0.879 46 6.9 225 105-30 1.5 Germany DIN 51525 지 Energol HLP 68 0.882 68 9.0 240 105-34 L2.0 호 Rando HD 32 0.875 32.1 5.6 210 112-33 1.0 남 Rando HD 46 정 0.879 44.1 6.8 216 110-33 1.0 유 Rando HD 68 0.884 64.4 8.7 220 108-30 1.0-34-
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