공압 실린더가 너무 빠르게 움직이거나 스틱 슬립 동작에 어려움을 겪는 경우 일반적으로 해결책은 적절한 유량 제어 밸브 선택 및 설치에 있습니다. 공압 흐름 제어 밸브는 압축 공기 흐름을 조절하여 액추에이터 속도를 제어하므로 정확한 모션 타이밍이 필요한 모든 자동화 시스템에 필수적입니다. 유압식 밸브와 달리 이 밸브는 압력 비율과 음파 흐름 조건이 제어 특성을 근본적으로 변경하는 압축성 유체 역학을 처리해야 합니다.
공압식 유량 제어 밸브의 작동 방식
기본 기능에는 공기 경로에 가변 제한을 만드는 것이 포함됩니다. 압축 공기가 좁은 오리피스를 통과하면 압력 에너지가 운동 에너지로 변환되어 하류 유량을 감소시키는 압력 강하가 발생합니다. 그러나 압축 공기는 비압축성 액체와 다르게 동작하므로 제어 안정성에 영향을 미치는 복잡성이 발생합니다.
공기가 제한을 통과하여 흐를 때 업스트림 압력($P_1$)과 다운스트림 압력($P_2$) 간의 관계에 따라 흐름 방식이 결정됩니다. 적당한 압력 강하에서는 압력 차이에 비례하여 유량이 증가합니다. 그러나 압력 비율 $P_2/P_1$이 임계값(일반적으로 공기의 경우 약 0.528) 아래로 떨어지면 목구멍의 유속이 국지적 음속에 도달합니다. 질식된 흐름 또는 음파 흐름이라고 불리는 이 상태는 근본적인 한계를 나타냅니다.
초크 흐름에서는 하류 압력을 더 줄이면 더 이상 질량 유량이 증가하지 않습니다. 흐름은 해당 구멍 크기를 통과하는 음속에서 효과적으로 "최대화"되었습니다. 이러한 물리적 현상은 공압 시스템에 고유한 안정성을 제공합니다.
ISO 6358 유량 등급 표준기존의 유압 Cv 값은 비압축성 물 흐름을 기반으로 하기 때문에 공압 응용 분야에서는 부족합니다. ISO 6358 표준은 다음 두 가지 매개변수로 이를 해결합니다.
- 음파 컨덕턴스(C):dm3/(s·bar)로 표시되는 초크 조건에서의 최대 유량.
- 임계 압력 비율(b):아음속과 음속 흐름 사이의 전환점(일반적으로 0.2 ~ 0.5)입니다.
이러한 매개변수를 기반으로 하는 흐름 방정식은 다음과 같습니다.
$P_2/P_1 \le b$일 때 막힌 흐름의 경우:
$$ Q = C \cdot P_1 \cdot K_t $$$P_2/P_1 > b$일 때 아음속 흐름의 경우:
$$ Q = C \cdot P_1 \cdot K_t \cdot \sqrt{1 - \left(\frac{\frac{P_2}{P_1} - b}{1 - b}\right)^2} $$여기서 $K_t$는 온도 보정 계수입니다.
내부 구조 및 구성 요소
일반적인 속도 컨트롤러는 하나의 소형 본체에 스로틀링 및 방향 체크 밸브라는 두 가지 기능을 결합합니다.
밸브 본체 재질:선택은 환경에 따라 다릅니다. 니켈 도금된 황동은 일반적인 공장 요구 사항을 충족하며 양극 처리된 알루미늄은 무게를 줄입니다. 스테인리스강(304/316)은 세척 구역에 필수적이며 엔지니어링 플라스틱(PBT)은 비용 효율적인 경량 솔루션을 제공합니다.
니들 밸브 디자인:고품질 설계에서는 10~50mm/s 범위의 정밀한 제어를 위해 미세 피치 스레드(10~15회전)를 사용합니다. 테이퍼 각도는 특성 곡선에 영향을 미칩니다. 선형 테이퍼는 비례적인 변화를 제공하는 반면, 등비율 테이퍼는 낮은 개구부에서 더 미세한 제어를 제공합니다.
밸브 구성 확인:통합 체크 밸브는 역방향 자유 흐름을 허용합니다. 립 씰 유형은 소형이지만 저압에서 누출될 수 있습니다. 볼 또는 포핏 유형은 더 엄격한 차단 기능을 제공하지만 더 많은 공간이 필요합니다.
미터인(Meter-In)과 미터아웃(Meter-Out) 제어 전략
설치 위치는 시스템 동작에 근본적으로 영향을 미칩니다. 이러한 구별은 공압 흐름 제어의 다른 측면보다 더 많은 현장 문제를 야기합니다.
미터 아웃 제어(배기 제한)이 구성에서 체크 밸브는 실린더로의 자유로운 흐름을 허용하는 반면 니들은 반대쪽 챔버에서 나가는 배기 공기를 제한합니다. 작동 원리는 압력 쿠션을 생성합니다. 피스톤이 움직일 때 배기 공기가 배압을 생성하여 강성을 향상시키고 스틱 슬립을 방지합니다.
미터인 제어(공급 제한)여기서 바늘은 들어오는 공기를 제한하는 반면 배기는 자유롭게 배출됩니다. 볼륨이 증가하면 공급 챔버 압력이 떨어지고 압력이 재구축될 때까지 피스톤이 정지하게 되므로 이로 인해 불안정한 동작("저킹")이 발생하는 경우가 많습니다.
"의심스러운 경우 미터아웃하세요." 미터 아웃은 복동 실린더의 기본 선택입니다. 미터인은 단동 실린더(스프링 리턴) 또는 특정 소프트 스타트 애플리케이션용으로만 예약되어야 합니다.
| 특성 | 미터 아웃(배기) | 미터인(공급) |
|---|---|---|
| 모션 부드러움 | 우수 (스틱슬립 방지) | 나쁨(흔들기 쉬움) |
| 부하 처리 | 과도한 부하에 대한 우수한 감쇠 | 중력 하중으로 인한 폭주 위험 |
| 속도 안정성 | 높음(쿠션효과) | 변수(공급에 따라 다름) |
| 최고의 애플리케이션 | 복동 실린더 | 단동 실린더 |
밸브 선택 및 크기 조정 프로세스
적절한 크기 조정은 액추에이터 힘을 제한하는 소형 밸브와 속도 제어 분해능을 희생하는 대형 밸브를 방지합니다.
실린더 사양에 따라 필요한 유량을 계산하는 것부터 시작하십시오.
$$ Q = \frac{A \cdot L \cdot 60}{t} $$여기서 $A$는 피스톤 면적(cm²), $L$은 스트로크 길이(cm), $t$는 스트로크 시간(초)입니다.
압력 강하:정격 유량에서 밸브 전체의 압력 강하를 0.5-1.0bar로 제한하십시오. 더 높은 방울은 에너지를 낭비합니다. 매우 낮은 방울은 분해능이 좋지 않은 대형 밸브를 나타냅니다.
설치 및 문제 해결
유량 제어 밸브는 가능한 한 실린더 포트에 가깝게 설치하십시오. 긴 튜브 연결은 공기 스프링 역할을 하는 압축 가능한 부피를 생성하여 반응을 저하시킵니다.
초기 조정:바늘을 3-4바퀴 열어서 시작합니다. 스틱슬립이 발생하면 미터 아웃 제어를 확인하십시오. 동작이 너무 빠르면 1/4회전씩 점차적으로 닫힙니다.
| 징후 | 가능한 원인 | 해결책 |
|---|---|---|
| 갑작스러운 움직임(스틱-슬립) | 복동 실린더의 미터인 제어 | 미터아웃으로 재구성 |
| 스트로크 중간에 속도가 변경됩니다. | 공급압력 변동 | 전용 레귤레이터 설치 |
| 속도 조절 없음 | 바늘이 오염되었거나 부러졌습니다. | 필터를 검사하세요. 밸브 교체 |
| 정지 후 실린더가 표류함 | 체크 밸브 내부 누출 | 밸브를 교체하십시오. 오염 확인 |
유지보수 및 서비스 수명
공압식 유량 제어 밸브는 유지 관리가 덜 필요한 구성품이지만 정기적인 검사를 통해 예상치 못한 고장을 예방할 수 있습니다.
적절하게 필터링된 공기(최소 40미크론)가 있는 일반적인 산업 조건에서 고품질 밸브는5~10년서비스 수명.
수명 감소 요인:
- 오염된 공기 공급(씰 수명이 절반으로 단축)
- 밀봉 등급을 넘어서는 극한의 온도
- 실 마모를 유발하는 공격적인 조정
- 화학물질 노출(스테인리스강/FKM 필요)
산업 시스템이 발전함에 따라 공압 흐름 제어는 센서와 네트워크 연결을 통합하여 조정됩니다. 최신 전동 액추에이터는 정밀성을 제공하지만 공압식은 강력한 과부하 허용 오차가 요구되는 고속, 단행정 응용 분야, 폭발성 대기 및 세척 환경에서 여전히 우수합니다.
