유압 호스 어셈블리 설계: 엔지니어를 위한 완전 가이드

조시 코스포드(Josh Cosford), 기고 편집자

피팅과 어댑터 형제들처럼 유압 호스 어셈블리는 유압 설계자에게 종종 사후 고려 사항입니다. 저도 독특한 유압 회로 설계에 몰두하는 편이지만, 기계 설계에 대한 전체론적 접근의 중요성을 잊어서는 안 됩니다. 귀사의 유압 기술자들은 호스가 전문적으로 제작되고 설치되도록 보장하는 필수적인 퍼즐 조각이지만, 설계자의 선견지명은 비용 절감, 설치 용이성, 신뢰성 향상에 큰 도움이 됩니다.

귀하가 유압 설계자이지 기계 자체를 담당하는 엔지니어가 아니라고 가정할 때, 호스 어셈블리 계획 및 선정 시 고려해야 할 사항이 많습니다. 일반적으로 기계의 호스 어셈블리를 선정하고 계획할 때 세 가지를 고려해야 합니다: 호스 구조, 호스 끝단 선정, 라우팅 옵션.

첫 번째: 호스 구조

올바른 호스 구조 스타일을 선택하는 것은 고객에게 효과적이고 안전한 유압 기계를 제공하는 데 가장 중요한 역할을 합니다. 압력 호환성은 호스 선정 시 고려해야 할 주요 요소이며, 시작점은 아래 SAE J517 유압 호스 표준 차트여야 합니다.

귀사의 기계가 경험하는 최대 작동 압력 범위를 기준으로 유압 호스를 선정해야 합니다. 이 범위는 최대 직경(최저 압력)과 최소 직경(최고 압력)을 고려하며, 이는 유압의 핵심입니다. 본질적으로 작은 호스가 큰 직경 호스보다 고압을 더 쉽게 처리하므로, 귀사 기계의 유량에 필요한 직경의 압력 등급을 호스 공급업체에 확인하세요.

모든 유압 호스는 작동 압력으로 등급이 매겨지며, 이는 내압(Proof Pressure)의 절반이고 파열 압력(Burst Pressure)의 절반보다 높습니다. 시스템에 압력 스파이크가 잦다면 공칭 작동 압력보다 약간 높게 등급이 매겨진 호스를 선택해야 할 수 있습니다. 내압은 유압 호스가 영구적 손상을 입는 지점을 설명하므로, 압력 게이지상의 그 경계선에 닿지 않는 것이 최선입니다.

기계에 다양한 호스 크기가 있으면서 최소 3,000 psi에서 작동하는 경우, 유서 깊은 100R1과 100R2 표준은 피하는 것이 좋습니다. 많은 기계 제조사들은 100R17 같은 등압 호스 지정으로 표준화하고 있는데, 여기서는 3/16에서 1인치까지 모든 호스가 3,000 psi로 등급이 매겨집니다. 인기 상승으로 생산 비용이 절감되었는데, 많은 호스 제조사들이 이 설계로 규모를 확대했기 때문입니다.

올바른 내경의 호스를 사용하는 것은 매우 중요합니다. 호스 내경을 변경하면 시스템 압력이 바뀔 수 있기 때문입니다. 교체 호스가 유량에 비해 너무 작으면 새로운 제한을 도입하게 됩니다. 시스템 압력이 상승할 것입니다.

대구경 호스가 필요하면서 3,000 psi 이상이라면 100R12, 100R13, 100R15 같은 옵션을 탐색해야 합니다. 이들은 4~6층의 나선형 권선 보강 와이어를 사용합니다. 어떤 이들은 작동 압력보다 25~50% 높게 등급이 매겨진 호스를 선택하라고 제안하지만, 엄격한 호스 가이드라인이 이미 압력 스파이크를 고려하고 있으며 제조사들이 그에 맞춰 제작합니다.

유량 고려사항

호스 구조 유형을 정한 후에는 유량에 가장 적합한 직경이 필요합니다. 차동 실린더와 후퇴 시 캡 포트에서 발생하는 추가 유량 같은 특수 상황도 고려해야 합니다. 면적 비율이 높으면 유량이 2배 이상 관찰될 수 있으니 호스가 적절히 크기 조정되었는지 확인하세요.

유압 호스의 유량 용량에 대한 절대적인 설명은 없습니다. 최대 유체 속도를 결정하는 네 가지 시나리오가 있기 때문인데, 이는 보통 압력 강하처럼 계산하기 어려운 것보다 우리의 제한 요소입니다. 낮은 쪽부터 시작하면, 흡입 라인에서 과도한 속도를 방지하세요. 진공이 발생하면 캐비테이션이라고 부르는 자발적 기체 기포 형성이 일어날 수 있습니다. 경험상 흡입 라인은 3~4 ft/sec를 초과하지 않게 하세요. 낮을수록 항상 좋으므로 공간이 허용한다면 1 ft/sec를 목표로 해도 무방합니다.

또한 케이스 드레인과 파일럿 라인은 1 ft/sec 이하의 속도로 제한하세요. 어떤 상황에서도 펌프 내부나 제어장치 손상을 위험에 빠뜨리고 싶지 않을 것입니다. 압력 및 리턴 라인의 속도는 대부분 더 자유롭게 할 수 있습니다. 펌프 압력 및 작동 라인 같은 압력 라인은 압력에 따라 20~30 ft/sec 범위일 수 있습니다. 고압 시스템은 최대 압력에 대한 압력 강하로 손실되는 유체가 적기 때문에 더 높은 속도에 적합합니다. 예를 들어, 4,000 psi 시스템에서 30 ft/sec로 작동하는 것이 1,000 psi 시스템에서 30 ft/sec로 작동하는 것보다 덜 문제가 됩니다.

리턴 라인도 속도를 제한하도록 크기 조정해야 하지만 흡입 라인만큼 엄격하지는 않습니다. 이 경우 6~10 ft/sec 정도로 작동하는 것이 합리적이며, 주 목표는 밸브와 케이스 드레인의 탱크 라인에서 백프레셔를 제한하는 것이지만, 리턴 필터 하우징에서 과도한 압력을 방지하는 것도 포함됩니다. 이상적인 유체 속도에도 불구하고 라인 크기에 대한 고려가 필요합니다. 작은 라인은 압력 강하에 자연스럽게 더 취약하므로, 이상적인 속도 범위 내에 있더라도 매우 작은 흡입, 압력, 리턴 라인은 피하세요.

작은 호스 내경은 경계층을 통해 불균형하게 흐르는 유체로부터 더 높은 마찰 힘을 받습니다. 반대로 더 큰 호스는 중심부를 통해 흐르게 하여 내부 튜브 벽에서 멀어지게 합니다. 또한 리턴과 압력 라인은 난류와 에너지 소산이 발생하기 쉬워 압력 강하로 이어집니다. 의심스러우면 직경에 인색하지 말고, 호스 어셈블리 크기 부족으로 인한 문제를 감수하지 마세요. 실제 유압 기계용 호스 어셈블리 세트를 만들 때 2인치 흡입 호스, 3/4인치 압력 호스, 1인치 리턴 호스, 1/2인치 케이스 드레인 호스를 흔히 볼 수 있습니다.

호스 끝단 간과하지 않기

이제 기계의 유압 압력에 가장 적합한 구조 유형을 확정하고, 시스템 유량에 맞게 내경을 다듬었으니, 이제 호스 끝단을 선택해야 합니다. 귀하는 2025년의 유압 설계자이니 솔직히 말합시다. 합성 고무 씰을 사용하는 누유 없는 연결만 선택하겠습니다. 미안합니다, NPT와 JIC — 여러분은 훌륭했고 우리 추억을 소중히 여기지만, 이건 저의 문제가 아니라 여러분의 문제입니다. O-링 페이스, O-링 보스, 플랜지가 이 관계에서 훨씬 더 많은 것을 제공합니다.

ORFS는 JIC 스타일의 모든 이점에 누유 없는 연결을 더해 빠르게 선택받는 연결 방식이 되었습니다. 다양한 크기로 제공되며 45°와 90° 호스 끝단 벤드가 있고, 암나사 끝단은 설치 용이성을 위해 스위블이 장착되어 있습니다. 쉽게 교체 가능한 O-링이 수나사 끝단 면에 위치해 누유 발생 시 서비스 작업이 빠릅니다.

SAE Code 61과 Code 62 스타일 같은 플랜지 피팅은 고압 및/또는 대유량 연결에 흔히 사용됩니다. 스플릿 플랜지 연결로 기술자가 호스 끝단을 적절히 정렬하여 바인딩이나 꼬임을 피할 수 있으며, ORFS 피팅처럼 O-링이 수나사 끝단에 있습니다(포트가 위치한 평평한 연결면에 수나사가 부착되기 때문에 "암나사" 플랜지는 없습니다).

일반적으로 O-링 보스 타입 피팅은 호스 끝단으로의 중간 연결로 사용됩니다. BSPP나 메트릭과 유사하게, 이들은 포트 나사 상단에 위치한 폴리머 씰을 사용하며, 포트 나사 내부의 공동(ORB)이나 본드 와셔(BSPP 및 메트릭)를 통해 밀봉됩니다. 그러나 ORB는 수나사 피팅이 비싼 라이브 스위블을 필요로 하기 때문에 호스 끝단으로 거의 사용되지 않습니다. 스트레이트나 90° 방향으로 나와 있지만, 많은 설계자들은 암나사 호스 연결을 선호합니다.

욕먹을 각오로 말하지만, 일부 기계는 JIC와 NPT 피팅을 행복하게 사용하며 그것도 완벽하게 괜찮습니다. 그러나 이 설계자 가이드는 우수한 기술에 편향되어 있으며, 교체 가능한 씰이 있는 호스 끝단 외에는 밀고 싶지 않습니다. ORFS와 플랜지 피팅이 단순히 더 나으니, 시대에 맞춰 그것들을 사용하세요. JIC가 튜브 플레어링 시스템과 사용하기 쉽다는 사실에도 불구하고, 많은 제조사들이 ORFS용 투피스 튜브 연결을 제공하고, 플랜지 피팅도 튜브에 용접할 수 있습니다. 게다가 이 기사는 튜브 배관이 아니라 호스 어셈블리에 관한 것입니다.

고압 서지 시 호스 길이가 변할 수 있으므로 팽창을 위한 충분한 여유를 제공하는 것이 중요합니다.

레이아웃 및 라우팅

유압 설계자에 대한 마지막 고려는 기계 자체에서 호스 어셈블리의 물리적 레이아웃입니다. 호스는 단순히 A 지점에서 B 지점을 연결하는 것 이상의 대우를 받아야 합니다. 그들의 방향, 레이아웃, 피트먼트는 마찰 마모, 과도한 조인트 압력, 비틀림/토크 힘을 방지해야 합니다. 유압 호스 어셈블리를 장착하여 크림프 조인트에서의 굽힘을 방지하는 다양한 올바른/잘못된 방법이 나와 있습니다. 호스의 무게가 강철 호스 끝단이 호스 커버를 조이는 지점에서 굽힘을 유발해서는 안 됩니다. 호스 무게가 처짐을 유발하면 90° 호스 끝단을 사용하여 굽힘을 지지하고 호스가 자연스럽게 매달리도록 하세요.

호스 길이는 연결 및 조임 시 스트레스를 방지할 만큼 충분해야 하지만, 다른 호스나 표면에 마찰하거나 진동할 만큼 길어서는 안 됩니다. 긴 호스 런은 여러 기술 중 하나를 사용하여 기계에 클램프로 고정해야 합니다. 제조사들은 블록, 새들, 클램프 및 다양한 기술을 제공하며, 이를 기계에 용접하거나 볼트로 고정하여 호스를 깔끔하게 고정합니다.

클램프를 사용하여 호스를 적절히 지지해야 합니다. 이는 가압 시 호스가 날뛰는 것을 방지하고 피팅에 불필요한 스트레인이 가지 않게 합니다.

그런 시스템에 호스 길이를 설치할 때, 클램프나 연결부 사이의 호스를 과도하게 조이지 않도록 주의하세요. 압력과 온도 사이클을 관리하기 위해 각 연결 지점 사이에 약간의 여유가 있어야 하며, 커버나 보강층을 손상시킬 수 있는 과도한 클램핑은 방지해야 합니다. 호스가 단단한 표면이나 다른 호스와 마찰하는 것을 방지할 수 없는 경우, 마모와 마찰을 줄이도록 설계된 보호 랩을 각 호스에 설치하세요. 이들은 주변 환경 손상(산업 낙진, 자외선 등)으로부터도 보호할 수 있으며, 호스가 채널이나 빔 내부에서 라우팅될 때도 사용해야 합니다.

유압 설계자가 자신의 역할을 종합적으로 볼 때, 원래 회로도부터 완제품까지 기계 설계의 모든 레이어가 가장 효율적이고 경제적이며 효과적인 설계 가능하도록 지능적으로 계획되고 조직되어야 합니다. 호스 어셈블리는 기본적으로 보일 수 있지만, 파열되거나 손상된 호스가 유압 시스템을 괴롭힐 때 기계의 나머지 부분은 거의 중요하지 않습니다.

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