유압작동장치는 산업에서 각종 기계장비 및 건설기계, 자동차의 유압 브레이크를 비롯한 전 공업분야에 중요한 역할을 담당하고 있다. 가깝게는 유압식 사출성형기에서부터 멀게는 자동제어장치 등 광범위한 분야에서 적용되고 있다.

특히, 유압작동장치는 소형으로 큰 출력이 큰 것과 무단으로 변속을 쉽게 할 수 있는 점과 출력제어가 자유롭고 출력의 조정이 용이하다는 특징이 있다. 효율적인 유압작동장치를 위해서는 설계, 운전, 보수도 중요하나, 동력전달과 가동부 윤활에서 핵심적인 기능을 하고 있는 유압작동유의 선정과 관리 역시 중요하다.

유압작동유 제조사에서는 유압작동유의 성능을 향상시키기 위해 다양한 연구들을 진행하고 있다. 물리·화학적 기초연구는 물론 작동유에 배합되는 각종 첨가제 개발이 활발하게 이뤄지고 있다.

이런 노력에 힘 입어 유압작동유는 점차 개량되어 유압기기들의 성능 향상에 많은 기여를 하고 있다. 특히 고품질의 합성오일이 점차 개발됨에 따라 고품질을 유지하면서 사용자의 원가절감 및 생산성 향상으로 이어지고 있다.

그러나 관리가 잘 되지 않는다면 아무리 좋은 품질의 유압작동유를 사용해도 소용없다. 유압작동장치에 사용되는 유압유는 화학적·물리적 원인으로 인해 발생되는 누유현상과 반복적으로 사용되어 생기는 산화 및 이물 현상 등의 단점을 갖고 있다. 지속적으로 관리를 하지 않는다면, 기계 및 부품 고장 및 가동율 저하와 같은 상황이 발생된다.

본지에서는 유압기기(유압식 사출기)에서 사용되고 있는 유압유에 대해 알아보고 선택 포인트 및 고장요인 및 관리요령 등을 다뤄, 올바른 유압유 사용법에 대해 알아보았다.

 유압작동유의 역할

유압작동시스템은 동력을 유체로 변환시켜 이것을 다시 기계적 에너지로 바꾸어 동력을 전달하는 장치를 말한다. 기본적인 구성은 유압펌프와 유압제어밸브, 액추레이터, 탱크, 기타 부속품으로 구성되어 있다.

작동과정을 살펴보면, 탱크내의 유압작동유는 흡입필터를 통해 유압펌프에 흡입되어 필요로 하는 압력과 양으로 가압되어 라인필터를 통해 실린더로 보내진다. 보내진 유압유는 제어밸브를 통해 압력제어 밸브 및 작동속도 제어 밸브, 방향 전환 밸브로 일의 크기와 속도 방향을 결정하는 과정을 거친다.

이처럼 유압작동유는 동력원으로부터 발생된 에너지를 구동부에 전달하고 있다. 이 외에도 마찰부분의 윤활, 밀봉, 방청, 냉각 등 유압장치를 원활하게 움직이는 역할을 맡고 있다.

 유압작동유의 종류

유압장치에 사용되는 유압작동유는 크게 광유계 작동유와 합성유계 작동유, 난연성 작동유가 있다. 광유계 작동유는 일반적인 성능으로 대부분의 유압장치는 광유계 작동유로서 충분한 성능과 내구성을 얻을 수 있는 것으로 알려진다. 그러나 광유계 작동유는 내화성, 내열성에 한계가 있어 항공기와 화재위험이 있는 탄광, 제철소, 금속가공설비 등에서는 합성계 또는 난연성작동유가 사용되고 있다.

광유계 작동유는 정제윤활유 유분에 각종 첨가제를 배합해 성능을 향상시킨 것이다. 터빈유를 유압에 전용화한 형식으로 수명이 길고, 성능이 우수해 보편적으로 사용된다. 배합되는 첨가제에 따라 용도가 결정된다.

합성유계 유압작동유는 윤활성은 광유계와 같지만 내열화성이 뛰어난 장점을 갖고 있다. 낮은 유동점, 양호한 점도온도특성, 내열화성, 난연성이 우수하다. 하지만 광유계에 비해 가격이 높아 특수한 용도로 많이 사용되고 있다.

난연성 유압작동유는 합성계와 수성계로 나눌 수 있다. 합성계 유압작동유는 인산에스테르와 폴리올에스테르가 대표적이다. 수성계 작동유에는 수중유적형(O/W), 유중수적형(W/O), 그리고 물-글리콜계 등이 있다. O/W형은 첨가제를 함유한 광유를 1~10%물속에 유화시킨 것이며, W/O형은 물을 40~50% 오일속에 분산시킨 것이다. 어느 것이나 유화제, 방청제, 마모방지제, 방부제 등의 첨가제가 사용되고 있다. 특히 수성계인 물-글리콜형은 글리콜, 폴리글리콜(증점제)의 수용액속에 방청제와 마모방지제의 첨가제를 넣은 것이며 수분량은 40~50%이다.

유압작동유로 요구되는 특성

유압작동유는 동력을 전달하는 유체이다. 그러므로 전달과정 중에 동력의 손실이 적어야 되고, 전달시간의 지연이 적어야 하는 조건을 충족시켜야 한다. 따라서 유압작동유는 압축률이 적고, 유동저항이 적은 저점도의 것이 바람직하다. 하지만 점도가 너무 낮으면 접동부에서 누유가 생기기 쉽고, 윤활유지가 어려워 적당한 점도범위에서 사용할 필요가 있다.

매체액으로서의 역할과 기기의 수명연장을 위한 윤활유로서의 역할을 만족시키기 위해서는 다음과 같은 특성을 갖춰야 한다.

▷펌프와 기타 유압기기에 대해 적정한 점도 및 온도변화에 따른 점도 변화가 적어야 한다.

▷장기간 사용에 대해 안정된 상태를 유지하고 물리적 화학적 변화가 적어야 한다.

▷각종 금속에 대해 부식성이 없고 방청성을 갖고 물과 불순물이 재빨리 분리 되어야 한다.

▷운전조건의 범위에서 인화점이 높아야 한다.

▷소포성이 좋고 기포방지성이 우수해야 한다.

▷씰 재질 및 도료와 적합성이 좋아야 한다.

 유압작동유의 이런 요구성능을 충족시키기 위해 다양한 첨가제가 배합된다. 산화방지제, 마모방지제, 점도지수향상제, 방청제, 소포제 등을 배합해 위와 같은 성능을 부여하고 있다.

첨가제의 종류

위에서 언급했듯, 유압작동유는 필요에 따라 작동유에 첨가제를 가한다. 주요 첨가제로는 산화방지제·부식방지제·극압제(고온에서 눌어붙는 것과 마모를 방지)·방청제·유성 향상제(油性 向上劑)·유동점강하제·소포제(消泡劑) 등이 있다.

▷산화 방지제(酸化防止劑)

작동유는 공기와의 접촉, 온도의 상승, 수분의 혼입, 각종 금속과의 접촉등 산화, 열화의 조건을 피할 수가 없다. 산화방지제는 산화에 의해 생성되는 부식성의 산이나 슬러지(sludge)의 생성을 방지하여 윤활유의 사용기간을 연장시켜 준다.

▷부식방지제(腐蝕防止劑)

사용유의 산화에 의해 부식성 산이 생성되어 금속(주로 비철금속)의 표면을 부식 시킨다. 산화방지제로서 부식성 산의 생성을 방지하는 것이 가장 좋으나, 만일 부식성산이 생성 되더라도 비철금속이 부식되지 않도록 금속 표면과 반응해서 보호막을 만든다.

▷극압제(極壓劑)

고하중(高荷重)의 윤활면에서 유막이 파괴되어 금속접촉이 일어날 우려가 있는 경우에 금속과 반응하여 금속 표면에 극압막(極壓膜)을 생성하므로서 타서 붙는 현상이나 마모를 방지하는 작용을 한다. 이 극압제는 기어유, 금속 가공유 등에 첨가되며 반응도에 따라 활성형, 불활성형 등이 있으며 활성도가 높은 것은 비철금속을 변색시킬 수 도 있다. 현재 극압제로서 S-P계(유황/인계)극압제가 많이 사용된다.

▷유성 향상제(油性 向上劑)

금속표면에 첨가제가 흡착되어 피막을 형성, 경계윤활시에 유막이 깨어지지 않도록 하며, 마찰계수를 감소시켜 주는 작용을 한다. 이것은 일종의 마찰조정제(摩擦調整劑, friction modifier)이다. 일반적으로 안내면유(案內面油, slideway oil)등에서 사용되는 스틱 슬립(stick slip)방지제는 넓은 의미에서의 유성향상제이며 금속가공유등에 첨가하는 지방유(脂肪油)동 같은 효과를 가지도록 하는 것이다.

 ▷유동점 강하제(流動点 降下劑)

유압유는 저온이 됨에 따라 정도가 증가함과 동시에 유중에 포함되어 있는 왁스성분이 석출되고 이것이 결합하여 유동하기 어렵게 된다. 유동점강하제는 이 석출된 왁스 성분의 결합을 방해하여 보다 낮은 온도에서도 유동성을 갖게하는 작용을 한다.

▷점도지수 향상제(粘度指數 向上劑)

유압유의 점도는 온도에 따라 변화한다. 이 변화 정도를 점도지수라고 부른다. 보다 넓은 온도 범위에서 점도변화가 작은 유압유를 사용해야 할 때에는 보다 점도지수가 높은 유압유가 필요하다. 이러한 경우에 점도지수 향상제를 첨가한다.

▷방청제(防淸劑)

금속표면에 방청막을 만들어 금속표면이 공기, 수분등과 접촉하는 것을 막아 녹의 발생을 방지한다. 방청제를 산화방지제와 함께 사용하는 것이 유압유의 기본 형태이다.

▷소포제(消泡劑)

유압유를 사용하는 도중에 교반에 의해 공기가 섞여 기포가 심하게 발생되는 경우가 있으며, 이 기포가 빨리 소멸되지 않는 경우가 있다. 소포제는 발생된 기포를 신속히 없애는 작용을 한다. 또한 기포가 발생하는 것은 이물질, 다른 유종들과의 혼합 및 윤활유의 열화에 의한 것이 대부분이다.

유압작동유 선정시 고려해야할 사항

유압작동유의 선정은 장치의 설치환경, 운전조건(압력, 유온 등)에 따라 작동유의 적정점도와 작동유의 타입에 따라 결정된다. 작동유가 동력매체로서 유압의 성능을 최고로 발휘할 수 있는 유종을 선정하기 위해서는 다음과 같은 사항이 고려되어야 한다.

우선 적정한 점도를 고려해야 한다. 유압작동유의 물리·화학적 성질중, 점도특성은 마찰손실, 열의 발생량, 마모, 누유, 시동성, 효율 등에 직접 관계되므로 작동유의 선정에 있어서는 가장 먼저 고려할 필요가 있다. 적당한 점도는 유압펌프의 형식, 작동압력, 운전온도 등에 의해 정해지며, 기기제작메이커의 추천에 의한 것이 안전하다. 작동유의 점도는 온도와 압력에 따라 변화하는 외에 점도지수향상제를 배합한 것에서는 전단속도가 커지면 점도가 일시적으로 감소되거나 영구적으로 저하된다. 이 점도저하의 정도는 점도지수 향상제의 질과 양에 따라 다르며, 수십%에 달하는 것도 있다.

점도지수가 높아야 한다. 기계효율의 점에서 작동유의 점도는 되도록 낮은 것이 바람직하지만 유압 장치, 기계접동부는 유체윤활과 경계윤활의 혼합상태이므로 점도가 너무 낮으면 마모가 많아진다.

다음으로 산화안정성이 좋아야 한다. 유압기기내에서 작동유는 공기, 습기, 금속과 접하여 온도도 상당히 상승하는 일이 있다. 장기간 가혹한 조건에서 사용하면 열화가 증대되며 점도, 산가, 검화가가 증가하여 래커의 부착과 슬러지의 생성이 시작된다.

이런 것들은 접동부의 원활한 작동을 저해하고, 교착을 일으키거나 소간극과 필터를 폐쇄시킨다. 또, 산화에 의해 생성된 저분자량의 유기산류는 부식의 원인이 된다. 산화방지제로서는 페놀계, 아민산계산화방지제와 디알킬디 티오인산아연이 일반적으로 사용된다. 고점도의 유압장치에서는 작동유 속의 이물, 특히 고체입자가 다량으로 존재하면 문제발생의 원인이 된다. 그러므로 오일 속의 오염물질량은 어느 정도 이하로 조정하도록 관리해야 한다.

또한, 소포성이 좋아야 한다. 유압장치는 가압과 감압이 반복적으로 일어난다. 만약 작동유에 공기가 들어가게 되면 가압시에 유온이 올라가기도 하여 열화가 쉽게 일어남은 물론 작동불량을 일으킨다. 그러므로 이 기포를 신속히 없애는 소포성이 작동유에 요구된다.

마지막으로 필터투과성이 좋아야 한다. 사람몸에 비유하면 피의 찌거기를 걸려주는 역할을 하는신장과 같은 역할을 하는 유압필터를 유압유는 반드시 거치게 되어 있고, 성능이 떨어지는 오일은 오히려 필터를 막게 되는 현상이 발생되어 장비의 효율을 떨어 뜨리게 된다.

시중에는 품질이 다른 많은 유압유가 판매되고 있어 신중한 오일 선택이 필요하다. 가격이 매우 저렴한 제품은 분명 이유가 있고 이런 저가 제품을 사용할 경우는 펌프 파손, 장비효율 감소, 필터 막힘 등이 발생하여 추가적인 비용이 발생할 수 있음을 감안하여 제품을 선정할 필요가 있다.

 좋은 유압유 선정시 중요 포인트는

▷ 적정 가격 제품 - 가격이 싼 제품은 저급 원료(기유) 사용 및 첨가제 성분이 적을 수 있다

▷ 유압장비 메이커의 승인을 많이 받은 제품 (예, Bosch Rexroth, Eaton Vickers, Denison, Cincinnati 등) - 각사 제품안내서에 표기되어 있음

▷ 국내 유압관련장비메이커에서 사용되는 제품 (예, 우진플라임, LS엠트론, 동신유압, 화천기계 등등)

▷ 윤활유 메이커에서 추후 윤활관련 서비스를 해주는 제품 (오일분석등)

▷설비 가동시 누유발생이 적은 제품(패킹재질 변형성 및 필터투과성 고려)

유압작동유 관리

일반적으로 기계설비에 대한 급유 및 갱유는 기계 제조사의 지시에 따라 정기적으로 실시하는 것이 바람직하다. 그러나 사용유량 또는 소비유량이 많을 경우 신유의 보충으로 전량교환시기를 연장이 가능하다. 이때는 정기적인 사용유의 성상, 성능분석으로 항상 사용유의 상태를 정확하게 파악하는 것이 중요하다. 기계수명을 연장한다는 예방적인 측면에서는 제조사의 권고 사항에 따라 충분한 여유를 두고 교환하는 것이 이상적이다. 그러나 자원절약이나 경제적인 면에서는 교환기간의 연장이 좀 더 현실적이다. 사용유의 수명 연장을 위해서는 작동유 자체의 품질향상과 사용유의 적당한 관리가 수반되어야한다.

유압유의 수명 또는 사용한계는 산화 및 이물질의 혼입에 따라 정해진다. 예를 들어 움직임이 크거나 유압빈도가 높은 것처럼 사용조건이 가혹한 경우 작동유의 산화 및 열화가 되기 쉽고 이물질이 혼입되기 쉬운 상태이다. 따라서 양질의 유압유라 할지라도 사용중에 차차 성질이 변질되어 성능이 저하되는데 이를 열화라고 한다.

유압유의 내부적인 변질은 산화현상으로 나타난다. 산화되면 색상이 나빠지고 점도가 증가한다. 또한 광유계 작동유의 경우 산화되면 케톤, 알데히드 및 알콜과 같은 유용성의 산소화합물을 생성하고 유기산으로 바뀌어진다. 최후에는 오일에 용해되지 않는 수지상 물질을 생성하게 된다. 유압유의 산화속도는 온도, 촉매, 공기와의 접촉, 윤활제의 종류 및 산화방지제의 종류 등에 의해 변화한다.

그래서 유압유 사용 시 적정온도 관리가 중요하다. 오일을 고온에서 사용하면 산화·열화되어 중합반응을 일으켜 가용성 생성물 및 불용성 생성물 등의 방식으로 산화가 진행된다. 특히 가용성 생성물은 오일의 점도를 상승시켜 유화(황과 화합) 등을 생성산다. 불용성 생성물은 슬러지라고 하는데, 윤활부의 마찰을 증가시켜 윤활면에 교착하여 열전도 및 유공을 막는 등 윤활기능을 저해하는 요소이다.

온도로 인한 유압유의 산화를 방지하기 위해 적정온도의 지속적인 유지·관리가 필요하다. 또한 탱크의 유압유를 채취해 오일의 성상에 대해 분석하는 것이 가장 올바른 관리이다.

전문 윤활유 메이커는 제품을 판매 후 단순 제품판매로 끝나는 것이 아니라 소비자가 최적을 윤활관리를 할 수 있도록 돕는 서비스를 제공하고 있다. 이를 잘 이용하면 매우 좋은 효과를 볼 수 있다고 한다. 다만, 많은 윤활유 메이커중 기술력과 제품 품질에 자신 있는 소수 다국적 기업에 국한되어 있는 점이 아쉬운 점이다.

도움: 한국신오일(주) (http://synoils.co.kr/ 043-877-5145)