공기압 시스템의 원리 및 보전기술 (3)

1. SIZING이란

공기압시스템은 압축에너지를 매체로 하는 제어시스템이므로 이것을 어떤 방법으로 유효하게 사용하는가를 설계하는 것이 SINGING이다.
예를 들어 동일한 실린더를 제어할 경우에는 늦은 속도로 제어할 때는 소용량의 밸브, 빠른 속도로 제어할 때는 대용량의 밸브를 선정하게 되는데 이것을 정량적으로 계산하여 선정하는 것을 SIZING 설계라 한다.
다시 말하면 "목적하는 구동기기의 동작을 구체적으로 파악하여, 이 목적을 효과적으로 달성하기 위해 적정능력(SIZE)의 기종(구동기기, 유량제어밸브, 방향제어밸브, 소음기, 필터, 감압밸브등)을 선정하는 것"이 된다.

2. SIZING의 효과

(1) 사용부품의 소형화로 설치공간의 절약, 전체설비 Cost의 절약등 직접적인 경제효과
(2) 작동시간을 산출하고 운동에너지를 판정하여 시행착오를 방지하고 과부하에 의한 실린더의 파손 등의 Trouble을 사전방지하므로써 간접적인 경제효과
(3) 설계시간의 단축(그래프법, 프로그램법)으로 간접적인 경제효과
(4) SIZING방법
  ① 계산식에 의한 방법
  ② 그래프에 의한 방법
  ③ 프로그램에 의한 방법

3. 압축공기의 상태와 양

압축공기는 보일-샤를의 법칙으로 표현됨과 같이 압축성을 가지고 있으므로 해석하기가 어려운 물질이다. 그래서 탱크, 배관 또는 시린더에 압축된 공기의 양은 우리가 호흡하고 있는 대기의 체적에 상당하는 양으로 환산하여 얼마 만큼의 체적을 가지는가를 계산한다.
(그림 6-1)

[예제 1] 내경 40(mm), 행정거리 1000(mm)인 단동 실린더를 매분 30회 왕복 작동시킬 때의 소비공기량은?(단 공기압은 5kgf/㎠)
[풀이] 내경 40(mm), 행정거리 100(mm)인 실린더의 체적은
(1)

4. 압축공기의 흐름

배관 및 밸브를 흐르는 압축공기는 (그림 6-2)와 같이 기본적으로 전기와 같다. R(Ohm)의 저항(유효단면적 S)에 I(A)의 전류(유량 Q)를 흘리면 E(V)의 전압강하(압력강하 ΔP)가 생긴다.
전기에서 「Ohm의 법칙」에 해당하는 것을, 유체에서는 「베르누이의 정리」라고 말하지만 압축공기는 물 등에 비해 압축성이 있으며, 음속이상의 흐름은 일반적으로 되지 않는 것에 다소 차이가 있다. 공기압 시스템 SIZING에서의 유량계산은 다음 식이 이용된다.

의 경우
(아음속 흐름)

.. ....................................(1)

의 경우
(음속 흐름)

. .....................................................(2)

여기에서

  Q : 유량 (Nℓ/min)
  S : 유효단면적(㎟)

: 상류측 압력(kgf/㎠)

: 하류측 압력 (kgf/㎠)
T : 상류측 공기온도 (

)

유량계산식 (1), (2)를 그래프로 표시한 것이 (그림 6-3)이다. 이 선도는 유효단면적이 1(㎟)에서 유량으로서, 임의의 유효단면적에서는 S배하면 된다.

[예제 2] 20℃의 공기를 유효단면적 20(㎟)의 밸브를 통하게 할 때 1차측 압력이 6(kgf/㎠)이고 2차측 압력이 4(kgf/㎠)라고 하면 유량은?

[풀이] 위의 도표에서 1차압력이 6(kgf/㎠)이고 2차압력이 4(kgf/㎠)이면 아음속 흐름이다. 따라서 유량 계산식 (1)에서

병렬합성

....................................................................(4)

[예제 3] 유효단면적 6㎟의 기기와 9㎟의 기기를 직렬로 접속하는 경우의 합성치는?

[풀이]

≒25
∴ 합성유효면적 S=5(㎟)

배관내의 공기흐름에서 배관의 저항표시는 공기압시스템에서 많이 이용되는 나일론 튜브나 고무호스 등에 대한 실험결과를 근거로 「관의 상당 유효단면적」으로서 나타난다.

배관의 종류	배관계수 ￠
SGP등의 강관	1.6
나일론튜브등의 수지관	2.0
고무호수	2.0
동 관	2.0

내경 d(mm)이고 길이가 L(mm)인 배관일 때

..............................................................(5)

7. 관이음쇠의 유효단면적

관이음쇠는 배관을 연결하는 곳에 가장 많이 사용되고 있어도 값이 저렴하기 때문에 기기로서는 무시되지만 시린더 등의 구동속도에는 큰 영향을 미친다.
관이음쇠의 유효단면적을 구하는 방법은 적용호칭의 배관에 대한 「상당 직관 길이」로 환산하고 길이를 합산한 배관도 유효 단면적으로 환산한다.

배관의 실제길이

(관이음쇠의 상당 직관 길이)

..................................................................(6)

8. 소요공기량과 공기 소비량

공기소비량 : 실린더를 사용한 장치에서 전환밸브가 작동하는 빈도에 따라 실린더내 및 실린더와 밸브사이의 배관에서 소비되는 공기량으로서 압축기의 선정, 운전비용의 계산에 필요한 것이다.
실린더에서의 공기소비량은

.......................................................(7)

..............................................(8)

: 후진시의 공기소비량(Nℓ)

: 전진시의 공기소비량(Nℓ)
  D : 실린더 내경(mm)
  d : 실린더 로드경(mm)
  ℓ : 실린더 행정거리(mm)
  P : 사용압력(kgf/㎠)

또 배관의 공기소비량은

....................................................(9)

: 배관의 공기소비량(Nℓ/min)

: 배관경(mm)

: 실린더와 밸브사이의 배관길이(mm)

따라서 실린더가 한번 왕복할 때의 공기소비량은

....................................................................(10)

VT : 한 사이클 작동시의 공기소비량(Nℓ)

소요 공기량 : 일정한 부하를 일정한 속도로 작동시키기 위하여 필요한 공기량으로 F.R.L. 기기 및 배관 크기의 선정에 필요한 것이다.

  V : 소요공기량(Nℓ/min)
  D : 실린더 내경(mm)
  ℓ : 실린더와 행정거리(mm)
  P : 사용압력(kgf/㎠)
  T : 행정에 필요한 시간(sec)

실린더 후진시 소요공기량

실린더 전진시 소요공기량

배관의 소요공기량

으로 된다. 따라서 실린더 후진시는

이며, 전진시는

가 된다.
결론적으로 공기소비량은 작동빈도에 대한 시간의 개념으로 해석되며 소요공기량은 구동하는데 필요한 속도의 개념으로 해석할 수 있다

9. 공기압 시스템의 구성

공기압시스템은 압축기를 구동하여 기계적 에너지를 공기압력 에너지로 변환하여 이 공기압력을 제어하여 구동기기에 공급함으로써 일을 한다.
이러한 일련의 기기소요를 공기압기기라고 하고 이를 조합한 것을 공기압 장치라고 한다. 이러한 기기를 효율이 좋게 조합하여 안정성, 보전성을 확보하여 구성한 것을 공기압 시스템이라고 한다.

공기압 시스템을 구성하는데 있어서 가장 먼저 해야 할 일은 어떠한 목적으로 시스템을 구성하는가를 파악하는 일이다.(표 6-4)

용도 또는 동작목적	실제 장치 예
부하의 이동등의 기계적인 일
일정한 출력의 발생	balancer
충격 발생	착암기, 바이브레이터,너트공급기, 공기브레이커
지지	공기스프링, 댐퍼
흡착, blow	진공 발행 및 진공패드
관류의 이용	도장, 급유
공기 반송	공기콘베어, Feeder
공기막	공기베어린, 공기부상, 공기슬라이더
감지 및 계측	근접센서, 공기계측기
뒤섞음	기포펌프, 교반
냉각, 가열	볼틱스튜브