유압 펌프가 심하게 진동하는 이유는 무엇인가요?

유압 펌프가 심하게 진동하는 이유는 무엇인가요?

유압 시스템에서 유압 펌프의 심한 진동은 장비 유지보수에서 흔히 발생하지만 해결하기 어려운 문제입니다. 이와 같은 강한 진동은 성가신 소음을 유발할 뿐만 아니라 부품 마모를 가속화하고, 배관 연결부의 느슨해짐 또는 균열을 일으키며, 심각한 경우 유압 부품의 고장을 초래하여 생산 안전성과 효율에 영향을 줄 수 있습니다. 공사 현장에서 펌프 진동은 드문 일이 아니며, 그 위해성은 과소평가해서는 안 됩니다. 따라서 심한 펌프 진동의 원인을 이해하고 신속하게 문제를 진단하고 해결하는 것은 유압 시스템 엔지니어 및 장비 유지보수 담당자에게 매우 중요합니다. 아래에서는 기어 펌프, 밴 펌프, 피스톤 펌프의 실제 응용 사례를 바탕으로 기술 원리 측면에서 심한 펌프 진동의 원인을 분석하겠습니다.

 

 

• 공기 유입 및 캐비테이션 현상

 

유압 시스템에 공기가 유입되면 유압 오일의 비압축성이 감소하여, 종종 캐비테이션이 발생하고 유압 펌프 작동 중에 불규칙적이고 강렬한 진동이 일어난다. 캐비테이션은 오일 내에서 형성된 기포가 고압 영역으로 유입될 때 급격히 붕괴되면서 국부적인 충격을 발생시키는 현상을 말한다. 캐비테이션은 펌프에서 날카로운 소음을 유발할 뿐만 아니라 금속 표면을 침식시켜 스폰지처럼 보이는 움푹 패인 자국을 남기며, 이는 장비의 진동 및 손상을 더욱 악화시킨다. 공기 유입 경로는 다음과 같다: 흡입 오일 라인의 누출, 유압 오일 탱크 내 오일 수위 저하, 회유 오일 관의 끝단이 오일 표면 아래에 잠겨 있지 않음, 펌프 본체의 밀봉 불량 등이다. 기어 펌프의 본체 및 엔드 커버 평탄도가 부족하거나 오일 실링이 노후화되면 작동 중 공기가 흡입된다. 베인 펌프는 기어 펌프(특히 배 displacement이 작은 베인 펌프)에 비해 자체 흡입 능력이 떨어지므로, 원활한 오일 흡입과 완전한 밀봉에 특히 주의해야 한다. 피스톤 펌프 역시 고부하 작동 조건에서 흡입 측의 공기 유입을 매우 두려워하며, 일단 공기가 유입되어 연료 공급이 끊기면 심각한 캐비테이션 충격 및 진동을 초래할 수 있다. 따라서 유압 시스템의 우수한 밀봉 상태와 적정 오일 수위를 유지하는 것이 매우 중요하다. 캐비테이션이 의심될 경우, 소음과 압력 게이지로 이를 판단할 수 있다: 압력 게이지 바늘의 이상하게 격렬한 요동과 함께 '모래가 부스럭거리는 듯한' 소리가 동반된다면, 이는 대개 오일 흡입 불량으로 인한 캐비테이션을 의미하므로, 즉시 펌프의 흡입 입구 및 필터를 점검하여 막힘 또는 공기 유입 여부를 확인해야 한다.

 

• 오일 흡수에 어려움이 있으며 부적절한 작업 조건.

 

유압 펌프의 부적절한 작동 조건은 심한 진동을 유발할 수 있으며, 대표적인 두 가지 상황으로는 펌프가 충분한 오일을 흡입하지 못하거나 과부하 상태에서 운전하는 경우가 있다. 유압 펌프의 회전 속도가 지나치게 높아지면 흡유 과정이 배출 속도를 따라가지 못해 흡유 부족 현상이 발생하고, 이로 인해 펌프 입구 측에 부분적인 진공 상태가 형성되며 압력 변동이 동반되어 결국 심한 펌프 진동으로 이어진다. 간단히 말해, 펌프가 너무 빨리 회전하지만 오일 공급이 원활하지 않으면 공전 상태가 되어 진동이 발생한다. 특히 기어 펌프의 경우 고속 운전 중 흡유가 제때 이루어지지 않으면 톱니 사이의 밀봉 공간에서 급격한 압력 상승과 갑작스러운 진공 현상이 반복되면서 강한 진동과 소음을 유발한다. 이러한 이유로 기어 펌프 구조에는 일반적으로 기어 내부의 오일 폐쇄로 인한 충격을 완화하기 위해 언로드 홈(unloading grooves)을 가공하여 제작한다. 또 다른 사례로는 유압 시스템의 과부하 운전이 있는데, 이 경우 펌프가 설계 압력이나 유량을 초과하여 장시간 운전됨에 따라 내부 부품에 비정상적인 응력이 가해지고 기계 전체의 진동이 발생하게 된다. 플런저 펌프가 고압 및 고유량 상태에서 급격히 작동 변화를 겪을 때 흡입 성능이 이를 따라가지 못하면 일시적인 '액주 분리(liquid column separation)' 현상도 발생하며, 이는 심한 충격 진동을 유발한다. 또한 유압 오일의 온도와 점도 변화 역시 흡유 성능에 영향을 미칠 수 있다. 저온에서 점도가 높아지면 흡유 저항이 증가하여 펌프가 충분한 오일을 제때 흡입하기 어려워지고, 고온에서 오일이 너무 묽어지면 기화 현상(오일의 조기 기화)이 발생할 수 있다. 이러한 모든 요인들은 펌프의 오일 흡입을 어렵게 만들고 진동을 유도하게 된다. 공학적으로 펌프는 정격 속도 또는 하중을 초과하여 장시간 운전하지 않도록 해야 한다. 필요한 경우 속도를 낮추거나 오일 공급 경로를 분산시키는 방법을 사용할 수 있으며, 유압 오일의 온도가 적절한 상태를 유지해야 한다. 베인 펌프 및 플런저 펌프 시스템에서는 고주파 운전 조건에서도 펌프의 흡유 요구를 보장하고 오일 공급 부족으로 인한 진동을 방지하기 위해 보조 흡유 펌프 또는 축압기(accumulator)를 설치하기도 한다.

 

• 오일 점도 및 오염 요인.

 

유압 오일의 점도가 과도하거나 부족하면 유압 펌프 작동 시 비정상적인 진동이 발생할 수 있습니다. 점도가 너무 높을 경우(예: 저온에서 시동하거나 점도 등급이 높은 오일 사용) 오일의 유동 저항이 증가하고, 펌프 흡입구에서 원활한 흡입이 이루어지지 않아 부분적으로 진공 상태가 되어 캐비테이션과 진동이 발생할 수 있습니다. 반대로 점도가 낮은 경우(예: 오일 온도가 너무 높거나 지나치게 묽은 오일 사용) 윤활유막이 얇아지고 펌프 내부 마찰이 커져 부품의 윤활 불량을 초래하며, 이는 마모와 비정상적인 진동으로 이어질 수 있습니다. 따라서 장비의 운전 환경에 맞는 적절한 점도 등급의 유압 오일을 선택하고 시스템 온도가 정상 범위 내에 있도록 유지해야 합니다. 또한 오일의 청결도는 펌프의 원활한 작동에 매우 중요합니다. 오염물질은 펌프 마모를 가속화하고 움직이는 부품이 걸리는 현상을 일으켜 진동과 소음을 유발할 수 있습니다. 밴 플러그 펌프는 정밀한 조립 간극이 작아 오일 오염에 특히 민감하며, 불순물로 인해 밴의 움직임이 제대로 이루어지지 않으면 펌프의 압력 출력이 불안정해지고 진동이 발생합니다. 기어 펌프에 철가루와 같은 입자가 혼입될 경우 톱니면에 흠집이 생기거나 편마모가 발생하여 작동 중 이빨이 맞물리는 듯한 소음과 진동이 발생할 수 있습니다. 플런저 펌프는 오일 청결도에 가장 높은 요구조건을 가지며, 작은 입자라도 플런저와 실린더 보어의 마모를 가속화하여 압력 맥동과 진동 고장을 일으킬 수 있습니다. 유압 오일을 깨끗하게 유지함으로써 이러한 위험을 크게 줄일 수 있으므로 필터 요소를 정기적으로 교체하고 오일 품질을 모니터링하여 점도 열화 및 과도한 오염을 방지하는 것이 설비 유지보수 담당자의 일상 업무 우선 순위가 되어야 합니다.

 

• 기계 설치 및 구조적 문제:  

 

유압 펌프의 설치 및 내부 구조적 요인도 심한 진동을 유발할 수 있다. 첫째, 부적절한 설치가 문제이다. 유압 펌프의 구동축이 모터 축과 정렬되지 않거나 커플 링이 잘못 설치된 경우, 펌프 작동 중 추가적인 기계적 응력과 편심력이 발생하여 프레임에 심한 진동이 일어날 수 있다. 현장 사례들을 통해 축의 약간의 어긋남만으로도 고속 회전 시 펌프가 튀는 현상이 발생하며, 이로 인해 씰의 조기 손상과 베어링 마모가 초래될 수 있음이 입증되었다. 올바르게 설치할 때에는 커플 링을 사용하여 축 정렬을 하고 펌프 지지대를 단단히 조여야 한다. 필요시 진동 감쇠 패드를 추가하는 것이 좋다. 둘째, 펌프 내부 부품의 제조 불량이나 마모가 진동의 근본 원인이 될 수 있다. 예를 들어, 기어 정밀도가 낮거나 치형 간극이 작고 베어링 마모가 있는 기어 펌프는 운전 중 균형을 무너뜨려 상당한 진동과 소음을 발생시킬 수 있다. 기어 펌프 자체는 방사형 비균형력을 가지는 본질적인 단점을 가지고 있어 베어링과 하우징에 교번 하중을 발생시키며, 설계나 조립이 부적절할 경우 더 쉽게 진동하게 된다. 밴 펌프의 경우 스토어터 내면에 국부적인 마모가 있거나 밴의 탄성이 부족하면 밴에 가해지는 힘이 불균일해져 회전 중 진동이 발생할 수 있다. 플런저 펌프는 고속 왕복 운동하는 다수의 구성 요소를 포함하고 있는데, 개별 플런저나 슬라이딩 슈가 마모되거나 느슨한 경우 충격과 유량 맥동이 발생하며, 이는 전체적인 진동으로 나타난다. 또한 펌프와 배관을 고정하는 볼트가 느슨하거나 기초 지지대의 강성이 부족한 경우에도 정상 작동 중 미세한 진동이 증폭되어 육안으로도 명확히 보이는 "심한 진동"이 발생할 수 있다. 따라서 장비 정비 시 커플 링, 고정 부품 및 펌프 내부 부품의 상태를 점검하고, 문제가 있는 부품은 즉시 수정하거나 교체해야 한다.

 

엔지니어의 제안

유압 펌프의 심한 진동 문제와 관련하여, 엔지니어는 다음과 같은 참고를 위한 제안을 제공합니다:

 

캐비테이션과 공기 유입 여부를 수시로 점검하십시오: 비정상적인 소음 또는 압력 게이지 바늘의 심한 변동이 발생할 경우, 우선 흡입 필터 요소가 막혔는지, 흡입 파이프 연결 부위의 씰이 무결한지, 탱크 내 오일 레벨이 낮은지, 귀환 파이프가 오일 수위 아래에 삽입되었는지를 확인해야 합니다. 공기 유입 위험 요소를 제거하면 유압 펌프의 진동을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 필요 시 펌프 흡입구에 충분한 오일 공급 압력을 가하여(예: 보조 펌프 설치 또는 연료 탱크 높이 상승) 캐비테이션을 방지할 수 있습니다.

 

운전 매개변수를 합리적으로 관리하십시오: 유압 펌프의 정격 속도 및 압력 사양을 준수하고 장기간 과속 또는 과부하 운전을 피해야 합니다. 기어 펌프와 같이 자체 흡입 능력이 제한된 펌프의 경우, 저온에서 무부하로 예열하여 오일 점도를 낮춘 후 전 부하 운전을 수행함으로써 오일 흡입 불량에 의한 진동을 방지해야 합니다. 다중 펌프 시스템에서는 압력 맥동을 안정화시키고 급격한 작동이 펌프에 미치는 영향을 줄이기 위해 병렬형 축적기를 고려할 수 있습니다.

 

적절한 오일을 선택하고 정기적으로 점검: 주변 온도에 따라 적절한 점도 등급의 유압 오일을 선택하여 오일이 지나치게 높은 점도를 가지거나 너무 희박해지는 것을 방지해야 하며, 이는 펌프의 흡입 및 윤활에 영향을 줄 수 있습니다. 오일은 정기적으로 교체하거나 필터링하여 청결 상태를 유지해야 합니다. 특히 베인 펌프와 플런저 펌프를 사용하는 장비의 경우, 오염물질의 유입으로 인한 진동 고장을 예방하기 위해 오일 여과 및 교체 계획을 엄격히 준수해야 합니다.

 

설치 및 부품 상태 점검: 유압 펌프와 모터 샤프트가 정확히 정렬되어 있는지 확인하고, 커플링 설치가 요구사항을 충족하는지 검토하며, 정기적으로 펌프의 앵커 볼트와 배관 지지대를 조여야 합니다. 펌프 내부에서 비정상적인 마모나 느슨한 부품이 발견될 경우, 적시에 수리하거나 교체해야 합니다. 기어 펌프의 경우 기어와 베어링의 마모 상태를 점검하고, 밴 펌프의 경우 밴과 스토터의 맞물림 상태를 확인해야 하며, 플런저 펌프의 경우에는 플런저, 슬라이딩 슈, 경사판의 마모에 주의를 기울여야 합니다. 장비 고장 진단은 외부에서 내부로, 쉬운 것부터 어려운 순으로 단계별로 수행하여 문제를 조기에 발견하고 사전에 예방해야 합니다.

 

 

위의 분석에서 볼 수 있듯이, '유압 펌프가 심하게 진동하는 이유'는 해결 불가능한 미스터리가 아니다. 캐비테이션, 오일 흡입 어려움, 부적절한 작동 조건, 오일 문제 및 기계 설치 요인들이 일반적인 원인이다. 유압 산업 종사자들에게는 이러한 원리를 숙지하고 예방 조치를 취하는 것이 기어 펌프의 소음과 진동을 효과적으로 줄이고, 장비 수명을 연장하며, 유압 시스템의 안정적이고 효율적인 작동을 보장하기 위해 필수적이다. 유압 펌프에서 비정상적인 진동이 발생할 때마다, 장비의 문제 진단을 위해 위의 사항들을 점검해 보는 것을 권장한다. 이는 원인을 신속하게 파악하고, 적절한 조치를 취하며 문제를 해결하는 데 도움이 될 것이라 믿는다.