기존 멀티윈치 구성에 유압 동력 장치를 통합하는 방법: 5단계 엔지니어링 프로토콜

1단계: 총 유량 수요 계산 — 모든 다른 계산의 기초가 됩니다

저는 이닝 유압에서 15년간 광산, 항만, 해양 플랫폼의 기존 멀티 윈치 시스템에 유압 동력 장치를 통합해 왔는데, 통합 프로젝트의 성공 여부는 단 하나의 볼트도 조이기 전에 결정되는 첫 번째 단계인 총 시스템 유량 요구량 계산에서 80%가량 좌우됩니다.총 유량 요구량은 단순히 모든 윈치 모터 배기량에 최대 RPM을 곱한 값의 합이 아니라, 최악의 작동 조건, 일반적으로 윈치의 60~80%가 최대 부하로 작동할 때의 최대 동시 유량 요구량입니다.예를 들어 4개의 윈치를 사용하는 계류 시스템에서 최악의 경우는 2개의 윈치가 최대 라인 인장력(선박 위치 조정)으로 작동하는 동안 3번째 윈치가 50% 부하(장력 조절)로 작동하는 경우입니다. 이때 HPU(고압 동력 장치)는 최대 부하 상태인 2개의 윈치와 부분 부하 상태인 윈치의 유량을 동시에 공급해야 합니다.

유량 계산 공식: Q(총량) = 모든 동시 작동 윈치의 합계(Qi), 여기서 Qi = 유압 모터의 배기량 x RPM / 1000(리터/분). Yining의 경우IYJ 시리즈 유압 윈치250cc/rev 엔진이 120RPM으로 회전할 경우: Qi = 250 x 120 / 1000 = 30L/min.무엇보다 중요한 것은 밸브 누출, 호스 팽창 및 향후 용량 증가를 고려하여 계산된 총액에 15%의 여유분을 추가하는 것입니다.따라서 HPU는 총 유량(Q)의 1.15배로 크기를 정해야 합니다. 유량 요구량 계산 오류로 인한 비용은 다음과 같습니다. 10% 부족할 경우 HPU가 최대 부하 상태에서 정격 속도로 윈치를 작동시킬 수 없습니다. 20% 과다할 경우 펌프 비용이 20% 증가하고 시스템 수명 동안 에너지 소비량도 20% 증가합니다. 이 계산의 정확성을 높이면 펌프 크기 선정 비용에서 5,000~15,000달러, 연간 에너지 비용에서 3,000~8,000달러를 절약할 수 있습니다.

에 따르면ISO 4413유압 시스템 설계 기준에 따르면, 유체 점도가 온도에 따라 감소하여 펌프 내부 누출이 냉간 시동 조건에 비해 최대 15%까지 증가하기 때문에 유량 요구량은 시스템의 예상 최대 작동 온도(일반적으로 광물유의 경우 60~65°C)에서 계산해야 합니다. 따라서 펌프는 실온이 아닌 고온 오일 조건에서 정격 유량을 공급할 수 있도록 설계해야 합니다.인잉 유압당사의 HPU 유량 계산에는 특정 유압유 데이터시트에서 도출된 점도 보정 계수가 포함됩니다.

2단계: 흡입관 설계 — HPU 통합 시 가장 흔하고 비용이 많이 드는 실수

흡입 라인 크기가 작아서 발생하는 펌프 캐비테이션은 제가 이닝 유압에서 진단하는 가장 흔한 현장 통합 실패 사례이며, 모든 통합 관련 보증 청구의 68%를 차지합니다.캐비테이션은 펌프 입구의 압력이 유체의 증기압보다 낮아질 때 발생하며, 이때 유체 내에 증기 기포가 형성됩니다. 이러한 기포가 펌프의 고압 영역으로 들어가 붕괴되면 1,000bar를 초과하는 국부적인 압력 급증이 발생하는데, 이는 펌프 내부 표면의 금속을 침식시키기에 충분합니다. 그 결과 실린더 블록 표면에 구멍이 생기고 밸브 플레이트가 침식되며, 심한 경우에는 100~200시간 작동 내에 펌프가 완전히 고장날 수 있습니다.

흡입관 유속 제한: 축 피스톤 펌프의 경우 최대 1.2m/s, 기어 펌프의 경우 최대 0.8m/s.이러한 제한값은 일반적인 유압 교과서에서 흔히 인용되는 1.5~2.0m/s보다 낮습니다. 이는 다중 윈치 작동 시 밸브 변속, 윈치 시동, 부하 변화와 같은 빈번한 유량 변동이 발생하여 순간 흡입 속도가 정상 상태 값보다 20~40% 높아지기 때문입니다. 흡입관 직경 계산식은 다음과 같습니다. d = sqrt(4 x Q / (π x v x 60000)), 여기서 d는 내경(미터), Q는 유량(리터/분), v는 속도(미터/초)입니다. 축 피스톤 모터를 사용하는 4개의 윈치에 120L/min의 유량을 공급하는 펌프의 경우, d = sqrt(4 x 120 / (3.1416 x 1.2 x 60000)) = 0.046m = 최소 내경 46mm이며, 이는 공칭 2인치 파이프(SCH 40, 내경 52.5mm) 또는 내경 51mm의 DN50 유압 호스에 해당합니다.

추가 흡입관 요구 사항: 흡입 스트레이너의 메쉬 크기는 125~150미크론이어야 합니다(더 미세하면 흡입 저항이 증가하고 캐비테이션이 발생할 수 있음). 흡입관은 가능한 한 짧고 직선이어야 합니다(굽힘 횟수 5회 미만, 각 굽힘 반경은 파이프 직경의 최소 5배). 저수조는 펌프 흡입구보다 위에 위치해야 하며 최소 0.5미터의 양정(중력식 흡입구 기준)을 확보해야 합니다. 저수조가 펌프 아래에 있는 경우에는 가압 펌프를 설치해야 합니다.세톱권장 실무 지침 RP100에 따르면, 흡입 라인 설계는 유압 시스템 통합에서 가장 안전에 중요한 요소입니다.

3단계: 다중 윈치 유량 분배 - 우선권 분배 밸브 대 비례 분배 밸브

하나의 HPU가 여러 개의 윈치에 동력을 공급할 때, 유량 분배 밸브는 각 윈치가 필요한 유량을 공급받는지, 아니면 부하가 적은 윈치가 부하가 많은 윈치의 유량을 빼앗아 가는지를 결정합니다.물리적 원리: 유체는 저항이 가장 적은 경로를 따라 흐릅니다. 유량 분배 제어 없이 두 개의 윈치가 동일한 고압 펌프(HPU)에 병렬로 연결된 경우, 부하 압력이 낮은 윈치가 더 많은 유량을 받게 됩니다. 이는 부하 압력이 낮은 윈치의 모터에서 발생하는 압력 강하가 더 작고, 유체가 자연스럽게 저항이 낮은 경로로 흐르기 때문입니다. 실제 상황을 예로 들면, 윈치 A는 5톤(180bar 필요)을 당기고, 윈치 B는 0.5톤(30bar 필요)의 장력을 가하는 경우, 유량 제어가 없다면 윈치 B는 펌프 유량의 70~80%를 받아 고속으로 작동하는 반면, 윈치 A는 20~30%만 받아 작동이 멈추게 됩니다.

우선순위 유량 분배기(압력 보상형 유량 제어 밸브)는 부하 압력에 관계없이 우선순위 회로에 일정한 유량을 보장하고, 초과 유량은 보조 회로로 보낼 수 있도록 함으로써 이 문제를 해결합니다.우선순위 설정이 30 L/min인 우선순위 분배기는 부하 압력이 0에서 시스템 릴리프 압력까지 어떤 범위에서든 우선순위 윈치에 정확히 30 L/min의 유량을 공급하고, 초과 펌프 유량은 다른 윈치로 보냅니다. 이는 각 윈치의 부하 요구량이 서로 다르고 가변적일 때 적합한 밸브 선택입니다.인잉 유압당사의 멀티 윈치 HPU 패키지에는 개별적으로 조정 가능한 우선순위 설정이 있는 우선 유량 분배 매니폴드가 포함되어 있습니다.

비례식 유량 분배기(기어형 분배기)는 부하량과 관계없이 전체 유량을 50/50, 60/40 등과 같은 고정된 비율로 분배합니다.비례식 분배기는 우선순위 분배기보다 구조가 간단하고 저렴하며 크기도 작지만, 모든 윈치가 동시에 비슷한 하중을 받는 경우(동기식 인양 작업)에만 적합합니다. 계류, 예인, 묘박 작업과 같이 윈치가 독립적으로 작동하는 경우에는 우선순위 분배기의 하중 독립적인 유량 제어 기능이 필수적입니다. 가격 차이는 비례식 분배기가 300~500달러인 반면, 우선순위 분배기는 800~1,500달러입니다. 이러한 성능 차이는 가변 하중 조건에서 윈치가 멈추거나 정상적으로 작동하는지를 결정합니다.

4단계: 다중 윈치 압력 안정성을 위한 어큐뮬레이터 크기 선정

다중 윈치 HPU의 어큐뮬레이터는 세 가지 기능을 수행합니다. 첫째, 압력 안정화(여러 윈치의 방향 밸브가 동시에 전환될 때 발생하는 압력 급증을 흡수), 둘째, 유량 보충(펌프가 반응하기 전에 윈치 가속을 위한 순간적인 유량 공급), 셋째, 비상 에너지 저장(펌프 고장 시 제어된 하강 사이클 한 번에 필요한 에너지를 저장)입니다.세 가지 기능 모두에 적합한 어큐뮬레이터 크기를 선정해야 합니다. 일반적인 용도에서는 펌프 총 유량 10L/min당 가스 용량(V0)을 1리터로 설정하고, 파도로 인한 부하 변동이 더 높은 주파수의 압력 변화를 일으키는 해양 환경에서는 7L/min당 1리터로 늘려야 합니다.

120 L/min HPU의 경우: V0 = 12리터(일반) 또는 17리터(해양). 예압(P0)은 시스템 최소 작동 압력(P1)의 70%여야 합니다. 180 bar(부하 시)와 100 bar(윈치 감속 시 최소 압력) 사이에서 작동하는 시스템의 경우: P0 = 0.7 x 100 = 70 bar(질소 예압). 어큐뮬레이터 유형: 유량 보충 용도에는 블래더 어큐뮬레이터(빠른 응답, 25-50ms), 대용량 에너지 저장에는 피스톤 어큐뮬레이터(느린 응답, 100-200ms, 하지만 더 큰 용량도 가능)가 있습니다.인잉 유압당사의 HPU 패키지에는 특정 구성의 압력 변화 프로파일에 대해 검증된 어큐뮬레이터 크기 계산이 포함되어 있습니다.

축압기 설치 시 현장 기술자의 90%가 놓치는 중요한 사항은 다음과 같습니다. 축압기가 설치되어 있고 HPU가 작동 중인 상태에서 질소 충전 키트를 사용하여 가스 밸브에 접근할 수 있어야 합니다.가스 밸브가 HPU 인클로저 벽 뒤에 묻혀 있거나 아래쪽을 향하고 있는 경우, 권장되는 6개월 간격으로 예압 점검이 이루어지지 않아 질소가 블래더를 통해 천천히 확산되면서(일반적인 손실률: 월 1~3%) 12~18개월 이내에 어큐뮬레이터의 압력 안정화 기능이 저하됩니다.

5단계: 시스템 시운전 및 검증 — 첫해 고장을 방지하는 8시간 테스트 프로토콜

HPU 통합은 시스템이 부하 상태에서 모든 설계 가정을 검증하는 구조화된 시운전 프로토콜을 통과할 때까지 완료된 것이 아닙니다.Yining Hydraulic의 다중 윈치 HPU 시운전 프로토콜에는 다음이 포함됩니다. (1) 무부하 순환 - 모든 윈치를 최소 부하에서 최대 속도로 2시간 동안 작동시키면서 유체 온도 상승, 필터 압력 강하 및 펌프 케이스 드레인 유량을 모니터링합니다. (2) 단일 윈치 부하 테스트 - 각 윈치를 정격 부하의 100%로 30분 동안 개별적으로 작동시키면서 펌프가 정격 유량을 유지하고 모터 케이스 드레인 유량이 제조업체 제한(정상 펌프의 경우 펌프 유량의 3-5%, 마모된 펌프의 경우 10-15%까지 증가)을 초과하지 않는지 확인합니다. (3) 다중 윈치 동시 부하 테스트 - 최악의 경우 조합의 윈치를 정격 부하로 60분 동안 작동시킵니다. (4) 비상 정지 및 복구 테스트 - 펌프 정지 후 어큐뮬레이터가 연결된 모든 윈치의 제어된 하강 사이클 1회에 필요한 충분한 저장 에너지를 제공하는지 확인합니다.

시운전 체크리스트에는 43개의 측정 항목이 포함되어 있지만, 그중 3개가 특히 중요합니다. 펌프 케이스 드레인 온도(섭씨 80도를 초과해서는 안 됨), 필터 압력 강하(클린 엘리먼트에서 0.8bar를 초과해서는 안 됨), 그리고 각 윈치의 압력 라인에 유량계를 설치하여 개별 윈치의 유량을 검증하는 것입니다. 측정된 유량은 설계 유량의 +/-5% 이내여야 합니다.에 따르면만나다광산 장비 신뢰성 데이터에 따르면, 8시간 동안 진행되는 체계적인 시운전 프로토콜을 통과한 시스템은 기본적인 검증만 거친 시스템보다 첫 해 고장률이 63% 더 낮습니다.

사례 연구: 중국 항만의 4윈치 계류 시스템에 Yining 유압식 HPU 통합

2024년, 이닝 유압(Yining Hydraulic)은 닝보의 주요 항구에 설치된 노후된 전기 윈치 시스템을 중앙 집중식 유압 동력 장치를 이용해 4개의 계류 윈치를 구동하는 시스템으로 교체하는 계약을 체결했습니다. 기존 시스템은 4개의 독립적인 전기 윈치로 구성되어 있었으며, 유지보수 비용은 연간 45,000달러에 달했고, 열 제한으로 인해 윈치 가동률이 60%를 넘지 못했습니다. 새로운 시스템은 200kW급 전기 모터 하나로 가변 용량 축 피스톤 펌프를 구동하는 방식입니다.이닝 I3V 시리즈) 160 L/min 용량, 각각 35 L/min으로 설정된 4개의 우선 유량 분배 밸브, 70 bar로 사전 충전된 20리터 블래더 축압기, 그리고 150미크론 스트레이너가 있는 DN50 흡입 라인.

18개월 운영 결과: 유지보수 비용이 연간 12,000달러로 감소(73% 절감), 4개의 윈치 모두 100% 연속 가동 가능, 에너지 소비량 22% 감소(가변 용량 펌프는 윈치가 유휴 상태일 때 유량을 줄입니다.) 단일 지점 고장 우려는 동일한 유압 회로에 백업 전기 모터와 펌프, 그리고 수동 전환 밸브를 설치하여 해결했습니다. 백업 시스템 구축 비용은 8,500달러이며, 이를 통해 단일 지점 고장 위험을 완전히 없앴습니다.이 통합 방식(중앙 HPU와 4개의 우선순위 분할 윈치 회로)은 이닝 유압의 다중 윈치 항만 및 해양 애플리케이션용 표준 참조 설계가 되었습니다.

구매 체크리스트: HPU 통합 견적 수락 전 확인해야 할 7가지 항목

Yining Hydraulic에서 15년간 현장 통합 작업을 수행한 경험을 바탕으로, 모든 조달팀이 HPU 통합 견적을 수락하기 전에 다음 7가지 항목을 확인하도록 권장합니다. (1) 흡입 라인 직경 - 표준 포트 크기가 아닌 계산된 직경을 요구하고 흡입 속도가 1.2m/s 미만인지 확인하십시오. (2) 유량 분배 밸브 - 독립적으로 작동하는 다중 윈치 시스템의 경우 비례 분배기가 아닌 우선 분배기가 지정되었는지 확인하고 유량 설정이 각 윈치 모터의 배기량과 일치하는지 확인하십시오. (3) 어큐뮬레이터 가스 용량 및 예압 사양 - 어큐뮬레이터가 과소 용량이 아닌지 확인하십시오. 이는 HPU 견적에서 가장 흔한 비용 절감 조치입니다. (4) 열교환기 크기 - 오일 쿨러는 총 입력 전력의 25~30%(연속 작동 시 유압 시스템의 열 부하)에 맞게 크기를 조정해야 하며, 많은 예산 견적에서 지정하는 10~15%가 아닙니다. (5) 여과 사양 - 최소 10 마이크론 절대(Beta 10 >= 200) 리턴 라인 필터, 서보 또는 비례 밸브 제어 시스템의 경우 5 마이크론 압력 라인 필터; (6) 저장조 크기 - 공기 방출 및 오염 침전을 위한 적절한 체류 시간을 제공하기 위해 분당 펌프 유량의 최소 3배(120 L/min 펌프의 경우 360리터); (7) 시운전 프로토콜 - 공급업체는 견적서에 4단계 시운전 프로토콜을 서면으로 포함해야 하며, 시운전을 일반적인 "시운전 포함" 항목으로 남겨두어서는 안 됩니다.

At 인잉 유압저희는 모든 HPU 통합 견적서에 7가지 검증 항목을 표준 부록으로 포함하고 있습니다. 투명한 엔지니어링 사양이 숨겨진 여유분보다 더 나은 프로젝트 결과를 가져온다는 것을 오래전부터 알고 있기 때문입니다.유압 시스템 구매에 대한 추가 지침은 다음 기사를 참조하십시오.유압 윈치 선택그리고연속 작동 용도용 펌프 사양.

외부 참조: ISO 4413 유압 시스템 · CETOP RP100 · MEET 마이닝 데이터 · DNV 규정 · SAE 인터내셔널 · ISO 5001 · CIPS 수명주기 비용 분석