油圧システムの 5 つの基本コンポーネントの説明

油圧システムの 5 つの基本コンポーネントは、油圧ポンプ、アクチュエータ (シリンダまたはモータ)、制御バルブ、作動油リザーバ、油圧ラインと継手です。 単純なボトルジャッキから 500 トンの産業用プレスに至るまで、すべての油圧システムは、同じ 5 つのコンポーネントのアーキテクチャで動作します。各部品は、流体力を生成、誘導、貯蔵、伝達し、機械的仕事に変換する際に、特定の交換不可能な役割を果たします。

この記事では、各コンポーネントの役割、それに課されるパフォーマンスの要求、および製造方法 (特に鍛造) がその性能を決定する理由について説明します。 油圧部品 現実世界の業務のプレッシャーとサイクルに耐えます。これらのコンポーネントを理解することは、建設、製造、農業、または航空宇宙用途で油圧システムを指定、調達、または保守する人にとって不可欠です。

コンポーネント 1: 油圧ポンプ

油圧ポンプはシステムの動力源です。流体を加圧してシステム内に押し出すことにより、電気モーター、エンジン、または手動入力からの機械エネルギーを油圧エネルギーに変換します。ポンプは直接圧力を生成しません。それは流れを生み出します。下流側の流れに対する抵抗の結果として圧力が発生します。

油圧システムで使用されるポンプは主に 3 種類あります。

• ギアポンプ — 最もシンプルで最もコスト効率の高いタイプ。一般的に、モバイル機器、農業機械、薪割り機などで最大 3,000 psi の圧力で使用されます。
• ベーンポンプ — より静かな動作とより一貫した流れ。最大 2,500 psi の産業機械や精密システムで使用されます。
• ピストンポンプ — 最高性能のタイプ。の持続的な動作圧力が可能 5,000 ～ 10,000 psi 航空宇宙、重建築、金属成形プレスなどの要求の厳しい用途に使用されます。

ポンプ ハウジングと内部コンポーネントは、あらゆるシステムの中で最もストレスがかかる油圧部品の 1 つです。一定の周期的な圧力負荷、流体浸食、熱変化に耐える必要があります。 鍛造ポンプハウジングとバルブブロック 鍛造によって製造された粒子構造は、鋳造代替品と比較して優れた耐疲労性を提供するため、高圧ピストンポンプ用途では標準となっています。これは、ポンプが耐用年数にわたって何百万回もサイクルする場合に重要です。

油圧ポンプの主要な性能パラメータ

コンポーネント 2: アクチュエーター — シリンダーと油圧モーター

アクチュエータは、油圧エネルギーが機械的仕事に変換される場所であり、実際に持ち上げたり、押したり、クランプしたり、回転させたり、押したりするコンポーネントです。アクチュエータには主に 2 つのタイプがあります。

• 油圧シリンダ（リニアアクチュエータ） — 流体圧力を直線の力と動きに変換します。 4 インチのボアを備えた 3,000 psi で動作するシリンダーは、約 37,700ポンドの力 — 積載されたダンプトラックの車軸を持ち上げるのに十分な量。シリンダーは、掘削機、ダンプ トラック、農業用リフト、射出成形機、航空機の着陸装置で使用されます。
• 油圧モーター（ロータリーアクチュエーター） — 流体エネルギーを連続的な回転出力に変換します。ウィンチ、コンベア、オーガー、スキッドステアローダーのホイールドライブや油圧駆動システムに使用されます。

エンド キャップ、グランド ナット、ピストン ヘッド、シリンダー バレルなどの油圧シリンダ コンポーネントは、業界で最も一般的に鍛造される油圧部品の 1 つです。理由は簡単です。油圧シリンダーは日常的に経験を積んでいます。 30,000 psiを超える動的引張応力および圧縮応力 ピーク負荷時に、実行中の作業による横負荷と組み合わせて発生します。鍛造シリンダーエンドキャップとピストンロッドは、これらの繰り返し荷重下で亀裂の伝播に抵抗するために必要な、緻密で欠陥のない結晶粒構造を提供します。この品質は、同等の重量で鋳造または機械加工されたビレット部品では確実に適合することができません。

油圧シリンダ力計算リファレンス

油圧シリンダーが生成する力は次のように計算されます。 力 (lbs) = 圧力 (psi) × ピストン面積 (in²) 。 3,000 psi で 6 インチのボアを備えたシリンダーは、約 84,823 ポンドの押す力を生成します。これが、シリンダーコンポーネントの完全性が非常に重要である理由です。典型的な産業用油圧アプリケーションに関与する力は、コンポーネントのサイズに比べて非常に大きいのです。

コンポーネント 3: コントロールバルブ

制御バルブは、油圧システムの制御インテリジェンスです。これらは、作動油の方向、圧力、流量を調整し、アクチュエータがいつどのように動くか、どの程度の力が加えられるか、負荷の変化にシステムがどのように反応するかを決定します。制御バルブがなければ、油圧ポンプは制御されていない圧力で単に流体を一方向に押し出すことになり、正確で制御された作業が不可能になります。

油圧制御バルブの 3 つの機能カテゴリは次のとおりです。

方向制御弁 (DCV)

DCV は流体をシリンダーまたはモーターの正しい側に送り、移動方向 (時計回りまたは反時計回りの伸縮) を制御します。最も一般的な構成は次のとおりです。 4/3スプールバルブ (4 ポート、3 ポジション: 伸長、中立、収縮) は、掘削機のアーム、ローダー ブーム、および複数の油圧機能を備えたほぼすべての建設機械で使用されます。

圧力制御弁

これらのバルブはシステムを過圧から保護します。の リリーフバルブ これは、あらゆる油圧回路において最も重要な安全コンポーネントです。システム圧力が設定されたしきい値 (通常、最大動作圧力より 10 ～ 15% 高い) を超えると開き、過剰な流体をリザーバーに戻します。リリーフバルブがないと、システムの詰まりによって圧力が上昇し、ライン、継手、またはコンポーネントが破裂する可能性があり、致命的な故障が発生する可能性があります。減圧バルブとシーケンスバルブは、より複雑な多回路システムに使用される追加の圧力制御タイプです。

流量制御バルブ

流量制御バルブは、シリンダーまたはモーターに到達する、またはシリンダーまたはモーターから出る流体の量を制御することにより、アクチュエーターの動きの速度を制御します。ニードルバルブまたは比例流量制御バルブを使用すると、オペレータは油圧シリンダの伸長ストロークの速度を正確に設定できます。これは、速度制御が製品の品質に影響を与えるプレス作業などの用途や、下降速度の制御が安全要件であるクレーンやリフト用途などで重要です。

高圧方向および圧力制御バルブのバルブ本体は、鍛造油圧部品の最も要求の厳しい用途の 1 つです。バルブ本体は、周期的な圧力負荷の下でも正確な寸法公差を維持する必要があります。 産業用油圧回路における圧力スパイクは、バルブの急速な作動中に公称システム圧力を 200 ～ 400% 超える可能性があります。 (圧力過渡現象)。鋳造バルブ ボディには微小気孔や潜在的な収縮欠陥が含まれており、これらの応力集中では連続結晶粒構造を持つ鍛造バルブ ボディよりもはるかに疲労亀裂が発生しやすくなります。

コンポーネント 4: 作動油リザーバー

リザーバには、システムの動作に必要な作動油が保管されます。これは単なるタンクではありません。適切に設計されたリザーバーは、流体の貯蔵、温度調整、空気と汚染物質の分離、システム圧力の安定化という 4 つの機能を同時に実行します。

• 液体の保管 : ほとんどの貯水池は保持します ポンプの毎分流量の 2 ～ 3 倍 ベースラインとして - 20 GPM ポンプを備えたシステムには、最小 40 ～ 60 ガロンのリザーバーが必要です。これにより、流体が同伴空気を放出し、汚染物質を沈降させるための滞留時間が得られます。
• 熱管理 : 戻り流体はリザーバ壁を通して熱を放散します。熱管理が重要なシステムでは、熱交換器 (オイルクーラー) がリザーバーの前の戻りラインに組み込まれます。
• 汚染物質の分離 : リザーバー内のバッフルにより流体速度が低下し、粒子状物質が再循環せずに沈降します。油圧システムの汚れが原因 油圧故障の最大 80% パーカー・ハネフィン流体力研究グループの業界データによると、貯水池の設計は防御の第一線です。
• 圧力の安定化 : リザーバーはポンプの安定した大気またはわずかに加圧された吸引ヘッドを維持し、ポンプの内部に損傷を与えるキャビテーションを防ぎます。

高圧リザーバーのリザーバーフィッティング、取り付けフランジ、およびポートボスは、特に振動負荷が一定であるモバイル機器において、加圧された取り付け接続の機械的応力に耐えるために鍛造油圧部品として製造されることがよくあります。

コンポーネント 5: 油圧ライン、ホース、および継手

油圧ラインと継手は油圧回路の循環システムであり、他のすべてのコンポーネント間で加圧流体を運びます。これらは統計的に現場における油圧システムの故障の最も一般的な原因でもあり、漏れと壊滅的な圧力損失の両方の大部分を占めています。

油圧システムでは 3 種類の導体が使用されます。

• 鋼管（剛線） — 高圧回路の固定された永久接続に使用されます。定格 5,000 ～ 10,000 psi のシームレス鋼管は、産業用および航空宇宙用の油圧システムの標準です。剛性ラインは圧力サイクル下でも曲がったり劣化したりしません。
• 油圧ホース（フレキシブルライン） — コンポーネントが相互に移動する場所 (トラクター本体とローダー アームの間など) で使用されます。ワイヤー編組または螺旋巻きホースの定格は、構造に応じて 3,000 ～ 6,000 psi です。ホースには有限の耐用年数があります — ほとんどのメーカーは、2 年ごと、または 2,000 時間の使用ごとに交換することを推奨しています。 、どちらか先に来るもの。
• パイプ（スケジュール80以上） — タンク接続やリターンラインなどの大口径低圧回路用の定置型産業システムで使用されます。

鍛造油圧継手が業界標準である理由

アダプター、ティー ブロック、エルボ コネクタ、マニホールド ブロック、ポート プラグなどの油圧継手は、世界中で最も広く製造されている鍛造油圧部品の 1 つです。理由は十分に確立されており、定量化されています。

• 鍛造継手は耐久性があります 20 ～ 40% 高い破裂圧力 鋳造気孔が排除され、木目の流れが継手形状と整列するため、同じ材料の同等の鋳造継手よりも優れています。
• 3,000 psi を超える圧力用の油圧継手を管理する SAE および ISO 規格では、必須または推奨される製造方法として特に鍛造構造に言及しています。
• 鍛造継手は、鋳造または機械加工されたビレット代替品よりも、繰り返しの組み立ておよび分解サイクル下でも、ねじの形状とシール面の形状などの寸法安定性を維持します。

油圧部品の製造方法として鍛造が推奨される理由

油圧システムは、すべてのコンポーネントが極度の周期的に加えられる応力にさらされる条件下で動作します。高い使用圧力 (多くの場合 3,000 ～ 10,000 psi)、急速な圧力過渡現象、熱サイクル、および振動の組み合わせにより、製造された油圧部品がどのような材料から作られているかだけでなく、その製造方法によっても差別化される厳しい環境が生み出されています。

鍛造は、高温でハンマーで叩いたりプレスしたりして圧縮力を加えて金属を成形する製造プロセスです。このプロセスでは、ランダム (鋳造の場合のように) またはカットスルー (機械加工ビレットの場合のように) ではなく、部品の形状の輪郭に沿った粒子流線を備えた洗練された粒子構造が生成されます。その結果、かなり強度が高く、耐疲労性の高い部品が得られます。

鍛造 vs 鋳造 vs 機械加工ビレット: 直接比較

鍛造工業協会による独立したテストでは、鍛造鋼部品が次のことを実証していることが文書化されています。 引張強度が最大 26%、疲労強度が 37% 向上 同一材料組成の同等の鋳造品と比較。致命的な漏れ、生産損失、または安全上のインシデントによって故障が測定される油圧コンポーネントの場合、このマージンは学術的なものではありません。これは、高圧用途で鍛造油圧部品が業界全体で好まれる工学的根拠です。

最も一般的に鍛造される油圧部品はどれですか

すべての油圧部品が鍛造されるわけではありませんし、鍛造される必要があるわけでもありません。鍛造油圧部品を指定するかどうかは、圧力クラス、デューティ サイクル、故障の影響によって決まります。以下の部品は、油圧業界全体で鍛造によって最も頻繁に製造されます。

• バルブボディとマニホールドブロック — 3,000 psi を超える圧力で動作する方向弁、リリーフ弁、および流量制御弁の本体は、ほとんどの場合鋼またはアルミニウム合金で鍛造されています。
• シリンダーエンドキャップとグランドナット — 油圧シリンダーの端をシールし、ピストンロッドシールアセンブリを保持するコンポーネント。これらは、システム全体の圧力とロッドからの曲げ荷重の両方を確認します。
• ポンプハウジングとエンドプレート — 特に、圧力下で内部クリアランスを維持するためにハウジングの完全性が重要であるアキシャル ピストン ポンプの場合。
• 油圧継手およびアダプター — 高圧ライン接続用の鋼およびステンレス鋼製の JIC、ORFS、BSP、および NPT 継手は、密閉型鍛造によって大量に生産されます。
• スイベルジョイントとロータリーユニオン — 油圧ラインが回転または関節動作する必要がある場合に使用されます。本体ハウジングは、圧力とねじり荷重の両方に同時に耐える必要があります。
• アキュムレータシェルとエンドクロージャ — 油圧アキュムレータは加圧流体エネルギー (最大 5,000 psi) を圧力容器に蓄え、鍛造シェルが ASME および ISO 規格で要求される圧力封じ込めの完全性を実現します。

油圧部品の鍛造に使用される材料

鍛造油圧部品に選択される材料は、動作圧力、流体適合性要件、重量制限、腐食環境によって異なります。油圧部品鍛造における主要な材料は次の 4 つです。

鋼合金は、大部分の産業用およびモバイル機器用途の鍛造油圧部品の大半を占めています 強度、機械加工性、コストの組み合わせによるものです。アルミニウム鍛造品は、軽量化によって部品あたりのコストが高くなる場合に使用されることが増えています。特に、部品の重量が 1 ポンドごとに運用コストに直接影響する航空宇宙用油圧システムでは、アルミニウム鍛造品がますます使用されています。

5 つのコンポーネントがどのように連携するか: システム統合

各コンポーネントを個別に理解することは、全体像の一部にすぎません。油圧システムは、5 つのコンポーネントすべてが連続的かつ相互に依存して相互作用する閉ループ回路として機能します。次のシーケンスは、油圧プレスや掘削機アームなどの一般的な複動シリンダ アプリケーションにおける完全な油圧パワー サイクルを説明しています。

1. 貯水池 正の吸込ヘッドの下で、清潔で温度調整された作動油をポンプ入口に供給します。
2. ポンプ リザーバから流体を引き出し、システム動作圧力 (産業用途では通常 1,500 ～ 5,000 psi) まで加圧し、制御バルブ回路に送ります。
3. 方向制御弁 オペレーターコマンド (手動レバー、ソレノイド、または電子信号) を受信し、加圧流体をシリンダーの一方の側に送り、もう一方の側からリザーバーに戻る戻り経路を開きます。
4. 圧力リリーフバルブ システム圧力を継続的に監視します。負荷抵抗によって圧力がシステムの限界に近づくと、リリーフバルブが開き、過剰な流れをバイパスしてリザーバーに戻し、回路内のすべてのコンポーネントを保護します。
5. アクチュエーター（シリンダー） 加圧流体を線形力に変換し、プレス、持ち上げ、クランプ、切断などの必要な機械的作業を実行します。
6. 戻り液 制御バルブを通って戻り、リターンラインフィルターを通ってリザーバに戻り、サイクルを完了します。多くの場合、システムの非効率性によって生成された熱エネルギーを除去するために熱交換器を通過します。

この回路全体の信頼性は、個々の油圧部品の完全性、特に継手、バルブ本体、シリンダーコンポーネント、ポンプハウジングが数百万回の圧力サイクル下でも寸法的および構造的完全性を維持できるかどうかに依存します。 これが理由です 油圧部品の鍛造 キャストするのではなく、好みではなくエンジニアリング要件です 3,000 psi を超えて動作するシステム、または過酷なサイクルで使用されるシステムに適しています。鍛造コンポーネントへの上流投資により、疲労亀裂、気孔による漏れ、圧力下での取り付け不良などによって引き起こされる、はるかにコストのかかる下流の故障が排除されます。