씰의 핵심 역할

  • 스토리

    2016 9월 28, 13:00 CET

    새로운 S1S 유압 로드 씰의 성능을 극대화시키기 위해 SKF 엔지니어들은 많은 연구와 기술 노하우를 적용해야 했습니다.

    유체 동력 시스템의 성능은 씰에 달려있다 할 수 있습니다. 유압 실린더는 건설, 광업, 농업, 임업 분야 등 거친 작동 조건에서 높은 동력 밀도와 신뢰성 있는 작동을 요하는 운동 용도를 위해 오랫동안 사용되어 온 표준 접근방식입니다. 그러나 유압 기계의 성공적인 작동은 운동을 허용하면서도 오일은 시스템의 구성품 내에 유지하는 성능에 달려있습니다.

    씰 고장은 운영 및 유지관리 비용 증가, 예상치 않은 중단 시간으로 인한 생산성 손실, 환경 오염, 직원의 안전 위험 등 여러 바람직하지 않은 결과를 초래합니다. 또한 이들 시스템은 씰에 많은 것을 요구합니다. 씰의 역할은 까다롭고 중요합니다. 예를 들면 최고 400 bar (5,800psi) 또는 경우에 따라 그보다 높은 압력은 물론 110 °C (230 °F)를 초과할 수 있는 온도에서 오일을 유지해야 합니다. 이러한 작동 조건은 먼지 및 화학품 오염과 구성품을 변형시킬 수 있는 부하가 있는 작동 환경의 어려움과 결합하여 밀봉 유지를 어렵게 하는 간극을 생성할 수 있습니다.

    로드 씰은 유압 장비가 적절한 작동 상태를 유지할 수 있도록 해주는 최전방의 방어 장치입니다(이미지 1). 이러한 씰은 시스템의 어느 부분에서든 가장 험한 요구사항에 직면합니다. 위치 면에서는 측면 부하가 가해질 가능성이 가장 높은, 장비의 작동 단부에 있는 경우가 많으며, 역할 면에서는 오일을 실린더 내에 유지하면서 마찰을 최소화함과 동시에 로드가 안쪽과 바깥쪽으로 움직일 수 있도록 허용해야 하기 때문입니다.

    SKF가 유체 동력용 광범위한 씰링 솔루션의 일부로 새로운 로드 씰의 설계를 시작했을 때 동급 최고의 제품을 만들기 위해서는 집중적인 R&D 및 테스트 노력이 필요하다는 점을 SKF 엔지니어들은 알고 있었습니다.

    이러한 노력은 자재의 선정에서 시작되었습니다. “폴리우레탄은 수천 가지의 엔지니어링 용도에 사용되지만 씰은 그 비중이 얼마 되지 않습니다”라고 SKF의 유체 시스템 씰 제품 라인 개발 책임자인 Wolfgang Swete가 말합니다. "이는 자재 공급사가 제공하는 표준 성분이 반드시 해당 역할을 위한 성능 특성의 올바른 균형을 유지하고 있다고는 할 수 없다는 것을 의미합니다."

    성능이 완벽하지 않을 수 있는 기성 옵션에 만족하는 대신 SKF는 맞춤식으로 개발한 자체 자재를 사용할 수 있었습니다. SKF의 ECOPUR 폴리우레탄은 씰링 용도를 위한 프리미엄 등급 자재용으로 특별히 개발되었습니다. 기타 제품 분야에서 수십 년간의 경험을 통해 입증된 것은, 탁월한 씰링 성능을 제공하기 위한 강도와 유연성의 올바른 조합, 내마찰성, 내구성은 오랜 작동 수명을 보장한다는 점입니다.

    이러한 자재 특성은 또한 SKF가 새로운 씰을 위한 최적의 구조를 정의하는 데에도 중요한 역할을 했습니다. SKF S1S 같은 단일 립 씰에는 실제로 여러 작동 부품이 있으며, 이들 부품은 정교한 방식으로 작동 및 상호작용합니다. “모든 씰의 주된 목적은 누설 방지이지만 사실 로드 씰은 씰링 변부를 통해 소량의 오일을 배출해야 합니다"라고 Wolfgang Swete는 말합니다. “이 오일은 로드가 매끄럽게 움직일 수 있도록 해주는, 두께가 1µm 미만인 윤활막을 만듭니다." 이러한 윤활막의 정밀한 조절이 실린더의 성능과 씰의 수명에 영향을 미칩니다(이미지 2). SKF는 윤활막을 가장 잘 조절할 수 있는 방법을 이해하기 위해 광범위한 윤활 기술 지식과 함께 첨단 유한 요소 해석(finite element analysis: FEA)을 사용합니다. 조사 결과 씰 립의 더 작은 반경이 더 얇은 막을 만들었으며, 이를 통해 유체의 과도한 손실 없이 매끄러운 성능을 가능하게 해주는 것으로 나타났습니다. 그러나 적절히 오래 가는 자재가 없는 경우 이러한 소형 반경은 씰의 내구성 훼손을 초래합니다.

    윤활막에 영향을 미치는 것은 씰의 립뿐만이 아니라고 Wolfgang Swete는 설명합니다. “로드가 실린더 내부로 들어갈 때 씰의 리어 힐(rear heel)은 백펌핑(back-pumping) 효과를 조절하여 윤활유를 다시 안쪽으로 당깁니다. 여기서 이러한 효과를 극대화하기 위해 씰의 형태를 최적화함으로써 우리는 유체의 전반적인 손실을 감소시키고 윤활 성능을 유지합니다."

    씰 전면의 U-컵 홈은 씰링 변부가 실린더에 비례하여 움직이도록 허용하며, 이를 통해 작동 중 표면의 결함이나 일그러짐을 보완합니다. 이 홈의 크기와 형태도 움직이는 로드에 가해지는 씰의 마찰 특성에 영향을 줍니다. 부적절하게 설계된 씰은 스틱-슬립(stick-slip) 현상을 나타낼 수 있으며, 이로 인해 불규칙한 움직임과 소음이 발생할 수 있습니다. SKF의 분석에 따르면 접촉 부분의 이러한 과도한 응력은 씰의 사용 수명에 큰 영향을 주는 것으로 나타났습니다. 마찰 및 밀봉 성능의 올바른 균형을 제공하는 홈 구조를 달성하기 위해서 설계, FEA 및 프로토타입 테스트 사이클을 반복해야 했습니다.

    “이와 같은 개발 과정에서는 항상 시뮬레이션과 테스트의 조합이 필요합니다"라고 Wolfgang Swete는 설명합니다. “올바른 FEA 기법과 적절한 자재 모델을 이용하면 실시해야 하는 물리적 테스트의 양을 감소시킬 수 있지만 결코 이러한 요건을 모두 제거할 수는 없습니다." 실무에서는 시뮬레이션과 물리적 테스트가 서로 보완하며, 테스트 결과를 이용하여 엔지니어들은 모델링 기법을 정밀화하고 개선할 수 있다고 그는 밝히고 있습니다.

    S1S를 개발하는 동안 SKF는 씰에 극단적으로 까다로운 테스트 시스템을 적용했습니다. 프로토타입은 최고 315 bar의 압력이 적용되고 110 °C (230 °F)의 오일이 포함된 특수 제조 테스트 리그에서 수백 킬로미터의 왕복 운동을 거쳤습니다. 테스트 중 리그는 마찰력과 누설을 측정했으며, 각 테스트 후 각 씰을 주의 깊게 측정하여 변형된 정도를 확인했습니다. “베어링과 달리 씰의 수명을 예측하기 위해 사용할 수 있는 공식은 없습니다"라고 Wolfgang Swete는 설명합니다. “그러나 씰에 발생하는 자국이나 변형의 양은 장기 성능의 중요한 지표라는 점을 우리는 알고 있습니다." S1S는 다른 제조사의 프리미엄 씰과 함께 실시한 비교 테스트의 3개 분야 모두에 걸쳐서 동급 최고의 성능을 나타냈습니다(이미지 3).

    제조 역시 중요합니다. 로드가 움직이는 동안 설계된 대로 작동하려면 씰 변부와 U-컵 홈을 정확하게 만들어야 합니다. 또한 정지 상태일 때 압력을 유지할 수 있는 씰의 능력은 씰의 외부 변부와 씰이 설치되는 실린더 홈 사이의 정밀한 압입(interference fit)에 따라 달라집니다. 여기서 SKF는 자사의 첨단 제조 역량을 활용할 수 있었습니다. 이로 인해 프로토타입 및 소량 생산을 위한 기계 가공에서부터 다량 및 표준 부품용 몰드 작업에 이르기까지 다양한 공정을 활용하여 극단적으로 작은 공차로 폴리우레탄 구성품을 생산할 수 있었습니다.

    SKF S1S 유압 로드 씰은 현재 다양한 표준 크기와 18~240 mm의 외경으로 생산되고 있습니다. 더 많은 사이즈가 상시적으로 제품 라인에 추가되고 있습니다. 특수한 필요를 충족시켜야 하는 고객을 위해 SKF는 특수 사이즈의 기계 가공 씰 버전을 제공할 수도 있으며, 이러한 첨단 제조 역량은 수량이 되는 경우 몰드 생산으로의 매끄러운 전환을 가능하게 해줍니다.

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    SKF는 베어링, 씰, 메카트로닉스, 윤활 시스템과 기술 지원, 유지보수, 안정성 서비스, 엔지니어링 컨설팅과 교육을 망라한 서비스를 제공하는 데 있어 세계적 선도기업입니다. SKF는 전 세계 약 130여 개국에 진출해 있으며, 17,000여 개의 지역대리점을 보유하고 있습니다. 2015년도 연간 매출액은 759억 9700만 스웨덴 크로나이며 직원 수는 46,635명입니다. www.skf.com

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