油圧パワーユニットの仕組み: 完全ガイド

油圧パワーユニットの仕組み: 簡単な答え

あ 油圧パワーユニット（HPU） 電気モーターまたは燃焼エンジンを使用して油圧ポンプを駆動し、リザーバーから流体を吸引して加圧することによって動作します。加圧された流体は、制御バルブを通ってアクチュエーター (シリンダーまたは油圧モーター) に送られ、流体エネルギーが機械的な力や動きに変換されます。液体はその仕事を終えるとリザーバーに戻り、そこで濾過され、冷却されてからサイクルが繰り返されます。

この閉ループプロセスにより、コンパクトなユニットが巨大な力を生成することが可能になります。標準的な産業用 HPU は次の速度で動作します。 3,000 PSI (207 バール) 比較的小さなシリンダーを通して数万ポンドの押したり引いたりする力を伝えることができるため、重機、製造プレス、航空宇宙地上支援、海洋用途では油圧システムが依然として主要な選択肢となっています。

のコアコンポーネント 油圧ユニット

水力発電ユニットがどのように動作するかを理解するには、各主要コンポーネントが何を行うかを知ることから始まります。 1 ガロンのベンチトップ ユニットから 500 ガロンの産業用電源パックに至るまで、すべての HPU には、同じ基本的な構成要素が含まれています。

リザーバー（油圧タンク）

リザーバには作動油の供給源が蓄えられます。これは単なる受動的なコンテナではありません。適切に設計されたリザーバーにより、戻り流体から同伴空気を逃がし、熱放散に十分な表面積を提供し、内部バッフルを使用して戻りラインをポンプ吸入口から分離します。この分離により、高温で空気を含んだ戻り流体がすぐにポンプに再流入することが防止されます。タンクのサイズ決定の経験則では、液体の体積が次の値と等しいことが推奨されます。 ポンプの毎分流量の 3 ～ 5 倍 ただし、高デューティサイクルのシステムではさらに多くのものが必要になる場合があります。

原動機 (電気モーターまたはエンジン)

原動機はポンプを駆動する機械エネルギーを供給します。産業および定置用途では、 三相交流電動機 標準であり、通常は小規模な工場プレスの 1 馬力から、大型の油圧プレス ラインや射出成形機の 200 馬力以上までの範囲に及びます。モバイル機器 (掘削機、スキッド ステア、クレーン) は、車両のディーゼル エンジンを原動機として使用し、パワー テイクオフ (PTO) を油圧ポンプに接続します。

油圧ポンプ

ポンプは水力発電ユニットの心臓部です。それは圧力を生み出すのではなく、流れを生み出すのです。圧力は、その流れが抵抗 (負荷) に出会った場合にのみ発生します。 3 つのポンプ タイプが主流です。

• ギアポンプ: シンプルで手頃な価格で、汚染に強い。固定変位。薪割り機、ダンプ トラック、低コストのパワーパックで一般的です。一般的な効率: 80 ～ 85%。
• ベーンポンプ: 動作音も静かで体積効率も良好です。滑らかで低騒音な性能が要求される工作機械や産業機器に使用されます。
• ピストンポンプ: 高圧能力 (最大 6,000 PSI 以上)、可変容量オプション、高効率 (90 ～ 95%)。油圧プレス、射出成形、航空宇宙などの要求の厳しい用途向けの標準的な選択肢です。

コントロールバルブ

制御バルブは、流体の行き先、移動速度、および許容される圧力を制御します。 3 つの主要なカテゴリは次のとおりです。

• 方向制御弁 (DCV): どのアクチュエータ ポートが加圧流体を受け取り、どのポートがタンクに戻るかを決定します。ソレノイド駆動の DCV により、遠隔制御または自動制御が可能になります。
• 圧力制御バルブ: リリーフバルブ (システムの最大圧力制限を設定する)、減圧バルブ、シーケンスバルブが含まれます。リリーフバルブは重要な安全装置です。リリーフバルブがないと、アクチュエーターがブロックされ、致命的な故障が発生するまで圧力が上昇する可能性があります。
• 流量制御バルブ: 流体の流れを制限または計量することにより、アクチュエータの速度を調整します。これらは、オペレーターがシリンダーの伸縮速度を制御する方法です。

あctuators

あctuators are the output devices that convert hydraulic fluid power back into mechanical work. 油圧シリンダ 直線的な力と動きを生み出します - ロッドを伸ばしたり縮めたりします。 油圧モーター 回転運動とトルクを生み出します。選択は、アプリケーションがどのような種類の動作を必要とするかによって完全に異なります。

濾過システム

油圧コンポーネントの故障の最大の原因は汚染である — 業界調査では一貫して次のように考えられています 油圧故障の 70 ～ 80% 液体の汚れに。フィルターは、吸引 (ポンプを保護するため)、圧力 (下流コンポーネントを保護するため)、および戻り (リザーバーに再流入する前に流体をきれいにするため) に配置されます。フィルターの評価はミクロン単位で表されます。ほとんどのシステムは、ISO 4406 クラス 16/14/11 以上の清浄度レベルを目標としています。

熱交換器または冷却器

油圧システムは熱を発生します - 大まかに言うと 入力電力の 25 ～ 30% 通常、標準システムでは熱として失われます。 180°F (82°C) を超える温度で動作する流体は急速に劣化し、シールの摩耗と酸化が加速します。送風冷却器または水冷熱交換器は、流体温度を推奨動作範囲内に維持します。 100°F ～ 140°F (38°C ～ 60°C) .

油圧パワーユニットの段階的な動作サイクル

動作サイクルを分解すると、水力発電ユニットが最初から最後までどのように動作するかが正確に明らかになります。

1. モーターが始動し、ポンプが回転します。 原動機がポンプを回転させます。ポンプの内部形状 (ギアの歯の噛み合い、ピストンの回転、またはベーンのスライド) により、リザーバーから吸引ラインを通して流体を引き出す拡張および収縮するチャンバーが形成されます。
2. 流体は次のように加圧します。 ポンプは、ポンプ容量と RPM によって決定される流量で流体を圧力ラインに押し込みます。流体が負荷の重量、閉じたバルブ、またはアクチュエータを動かすのに必要な力などの抵抗に遭遇すると、圧力が増大します。
3. リリーフバルブがシステム制限を維持します: 圧力がリリーフバルブ設定 (例: 3,000 PSI) を超えると、バルブが開き、過剰な流れをバイパスしてタンクに戻し、すべてのコンポーネントを保護します。
4. 方向制御バルブによる流体の経路: あn operator or control system energizes a solenoid, shifting the directional valve. Pressurized fluid is directed to one port of a cylinder or motor.
5. あctuator moves: ピストン領域に作用する流体圧力により力が発生します (力 = 圧力 × 面積)。 2,500 PSI の 4 インチボアシリンダーは約 31,400 lbfの押し力 .
6. 戻り流体は逆流します。 アクチュエータの反対側から排出された流体は、方向制御弁と戻りラインを通ってリザーバに戻り、戻りフィルタを通過します。
7. 液体は冷却され、濾過されます。 リザーバー内では、流体が沈殿し、同伴空気が放出されて冷却されます。その後、次のサイクルのために吸引ラインに引き戻す準備が整います。

油圧ユニットの種類と動作の違い

すべての油圧パワーユニットが内部で同じように動作するわけではありません。設計の選択は、パフォーマンス、効率、アプリケーションの適合性に大きく影響します。

可変容量ポンプシステム

可変容量型 HPU では、ポンプはシステムの需要に合わせて出力流量を自動的に調整します。アクチュエータが位置を保持しており、動作が必要ない場合、ポンプは圧力を維持するのに十分な流量のみを消費し、供給します。これにより、リリーフバルブを通過する過剰な流れを継続的にバイパスする固定容量型システムと比較して、発熱とエネルギー消費が大幅に削減されます。適切に実装された可変容量システムは、次のようなエネルギー消費を削減できます。 30～50% 比較可能な固定容量設計との比較。

可変速ドライブ HPU

VSD 油圧パワー ユニットは、ポンプ容量を変化させるのではなく、可変周波数ドライブ (VFD) を介してモーター速度を変化させます。需要が低下すると、ポンプが流れをバイパスする代わりにモーターが減速します。これらのシステムは、エネルギーコストと騒音レベルの両方を削減できるため、現代の産業施設でますます人気が高まっています。アイドル時の VSD 駆動の HPU は、 65dB(A)未満 、従来のユニットのフルスピードでの 75 ～ 80 dB(A) と比較して。

油圧作動油: すべてを機能させる媒体

作動油は圧力を伝達するだけではありません。すべての内部ポンプとモーターコンポーネントを潤滑し、摩擦点から熱を運び、腐食を防ぎ、可動部品間の隙間をシールします。適切な流体の選択と維持は、適切なポンプの選択と同じくらい重要です。

粘度とその影響

粘度は、油圧システムにおける最も重要な流体特性です。 ISO VG46 鉱物油は、常温環境で動作する産業用 HPU に最も一般的に選択されます。粘度が低すぎると、ポンプ内部の漏れが増加し、摩耗が促進されます。粘度が高すぎると抵抗が増加し、より多くの熱が発生し、冷間始動時にポンプが動作しなくなる可能性があります。ほとんどのシステムでは、次の粘度範囲が指定されています。 動作温度で 25 ～ 54 cSt .

油圧ユニットで使用される流体の種類

• 鉱物油: ほとんどの産業およびモバイルアプリケーションの標準。潤滑性が高く、広く入手可能で、コスト効率が高い。火災の危険性が大きい場所には適しません。
• 耐火性流体 (HFA、HFB、HFC、HFD): 製鉄所、ダイカスト作業、その他の高温環境で必要です。水-グリコールおよび合成エステルタイプが最も一般的です。
• 生分解性流体: 植物性エステルまたはポリアルキレングリコール (PAG) ベース。林業機械、海洋プラットフォーム、水路建設など、環境に配慮した用途で義務付けられています。
• リン酸エステル系流体： 高い作動圧力 (航空機システムでは最大 3,000 PSI) での優れた耐火性と安定性により、民間航空の油圧システムに使用されています。

油圧パワーユニットに依存する一般的なアプリケーション

油圧パワーユニットが非常に多くの業界で使用されている理由は、次の 1 つの主要な利点に帰着します。 同じコストで同等の力密度を実現できるテクノロジーは他にありません 。 10 馬力の油圧パワー ユニットは、適度なシリンダーを通じて 50,000 lbf を超える力を生成できます。同等の力容量の電動リニア アクチュエータは、数倍のコストがかかり、はるかに多くのスペースを占有します。

工業製造業

油圧プレス機は、金属のプレス、鍛造、成形の根幹です。 500 トンの油圧プレスは、3,000 ～ 5,000 PSI で流量を供給する HPU を使用して、鋼鉄コンポーネントの成形に必要なトン数を開発します。射出成形機は、HPU を使用して型締力を生成します。通常、 100～6,000トン — プラスチック射出中に金型の半分を一緒に保持します。

建設および移動機器

すべての掘削機、ブルドーザー、クレーンは油圧力に依存しています。中型掘削機（20トンクラス）は通常、HPUを搭載し、 50 ～ 80 ガロン/分 5,000 PSI でブーム、アーム、バケット、スイング機能を同時に駆動します。 HPU のコンパクトなパッケージにより、このパワーのすべてをマシンのスイング フレーム内にパッケージ化できます。

あerospace and Defense

民間航空機は、機内に搭載された油圧パワー ユニット (油圧パワー パックと呼ばれることが多い) を使用して、操縦翼面、着陸装置、および逆推力装置を操作します。ボーイング 737 の油圧システムは次のように動作します。 3,000 PSI 2 つの独立したエンジン駆動ポンプ システムと電動バックアップ ポンプを使用します。軍用車両は、砲塔の回転、サスペンションのレベリング、兵器システムの位置決めに HPU を使用します。

海洋および海洋

船舶操舵システム（油圧ラム式操舵装置）、デッキクレーン、アンカーウインドラス、洋上噴出防止装置（BOP）システムはすべて専用のHPUを使用しています。海中BOP制御システムは、次の条件で動作可能なHPUを使用します。 5,000 PSI 、主電源に障害が発生した場合でも、アキュムレータバンクにより緊急閉鎖機能が保証されます。

マテリアルハンドリングとリフティング

ドック レベラー、シザー リフト、車両ホイスト、ゴミ収集車の圧縮機はすべて、小型から中型の HPU を使用しています。定格 10,000 ポンドの 2 ポスト自動車用リフトでは、通常、 2 HP、2 ガロン HPU 2,500 ～ 3,000 PSI で動作 - 適切なシリンダー サイズを適用すると、控えめなユニットがどのように大きな負荷に対処できるかを示します。

圧力、流量、動力: 油圧力の背後にある物理学

あ practical grasp of the underlying physics helps operators and engineers size systems correctly and diagnose problems effectively.

パスカルの法則 これは基本原理です。閉じ込められた流体に加えられる圧力は、流体全体の全方向に均等に伝達されます。これにより、小型ポンプが大口径シリンダーを通じて巨大な力を生成できるようになります。圧力はポンプ出口とシリンダーのピストン面で同じですが、力はより大きな面積によって倍増されます。

油圧パワーユニットの動作を制御する主要な油圧式は次のとおりです。

• 力 (lbf) = 圧力 (PSI) × 面積 (in²): あ 5-inch bore cylinder (area = 19.6 in²) at 3,000 PSI generates 58,800 lbf of push force.
• 流量 (GPM) = 変位 (in3/rev) × RPM ÷ 231: あ gear pump with 1.5 in³/rev displacement at 1,800 RPM delivers approximately 11.7 GPM.
• 油圧馬力 = 圧力 (PSI) × 流量 (GPM) ÷ 1,714: あ system running at 3,000 PSI and 10 GPM requires approximately 17.5 hydraulic horsepower. With typical pump and motor efficiencies, the actual motor draw is roughly 20–22 HP.
• シリンダー速度 (インチ/分) = 流量 (インチ/分) ÷ 面積 (インチ平方): 流量が高いほど、アクチュエータの動作が速くなります。より大きなボアのシリンダーは、同じ流量でもよりゆっくりと動きます。

油圧パワーユニットの一般的な問題とその原因

適切に設計された HPU であっても、時間の経過とともに問題が発生することがあります。症状と根本原因がわかれば、診断が迅速化され、ダウンタイムが短縮されます。

過熱

流体温度超過 180°F (82°C) 最も一般的な運用上の問題です。原因には、過小なクーラー、クーラーフィンの詰まり、磨耗したコンポーネント全体の過剰な内部漏れ (圧力エネルギーを熱に変換する)、またはリリーフバルブの設定が連続動作するには高すぎることが含まれます。推奨温度範囲を 10°C (18°F) 上回るごとに、流体の酸化とシールの劣化の速度が約 2 倍になります。

アクチュエータのパフォーマンスが遅い、または弱い

正常なシステム圧力と組み合わされたシリンダーの伸びが遅い場合は、通常、ポンプの磨耗、吸引ストレーナの詰まり、または部分的に閉じた吸引遮断バルブなど、流量の問題を示します。通常の流れで力が弱い場合は、圧力が不十分であることを示します。リリーフバルブの設定を確認し、内部シリンダーのバイパス (ピストンシールの摩耗) を探します。ポンプが送り出す 定格流量の 85% 未満 動作圧力に達すると、通常は交換または再構築が必要になります。

過度の騒音

キャビテーション（ポンプに十分な液体の供給が得られない場合）は、独特の悲鳴音や摩擦音を発生させます。ポンプの急速な損傷の原因となります。原因には、サクションフィルターの詰まり、流体の粘度が条件に対して高すぎる (特にコールドスタート時)、またはサクションラインが小さすぎるか長すぎることが含まれます。吸込み側の緩いフィッティングから空気が入ることでエアレーションが発生し、異なる音、つまりキーンという音やガラガラ音のような音が発生し、アクチュエータのスポンジ状の動作が発生します。

外部漏れ

作動油の漏れはメンテナンス上の問題であると同時に、安全上の問題でもあります。シールは熱や汚染された液体にさらされると硬化し、亀裂が生じます。ホースのピンホール漏れから皮膚を通して噴射された高圧作動油は、 救急医療 — 最初の傷が軽微に見えた場合でも、深刻な組織破壊を引き起こす可能性があります。責任あるメンテナンス プログラムでは、定期的なホースの検査と計画的な交換 (外観に関係なく、通常は 4 ～ 6 年ごと) が標準的な方法です。

圧力が設定値まで上昇しない

システムが圧力設定に到達できない場合は、リリーフバルブが開いたままになっているか、正しく設定されていないか、または磨耗している可能性があります。過剰なバイパスを引き起こす内部ポンプの摩耗も、よくある原因です。最初にリリーフバルブを体系的にチェックします。リリーフバルブを隔離し、ポンプ出口圧力を直接テストします。優れたポンプは、リリーフバルブが開く前のデッドヘッドテストでシステム定格圧力の 110 ～ 120% を容易に達成できるはずです。

油圧パワーユニットのメンテナンス: 実際に耐用年数を延ばすもの

あ properly maintained hydraulic power unit can deliver 20,000時間の耐用年数 リザーバー、バルブ、主要な構造コンポーネント用。流体が適切に維持されているクリーンなシステムのポンプは、通常 10,000 ～ 15,000 時間に達します。システムを無視すると、2,000 時間以内に壊滅的な障害が発生する可能性があります。

• 液体のサンプリングと分析: 500 ～ 1,000 時間ごとにオイルのサンプルを採取し、流体分析ラボに提出します。粒子数、水分含有量、粘度、摩耗金属濃度により、致命的な故障に至る数週間または数か月前に問題が明らかになります。これは、利用可能な唯一の最も高い ROI のメンテナンス手法です。
• フィルター交換： 戻りフィルターと圧力フィルターは、メーカーが推奨する間隔で、または差圧インジケーターが制限を示したときに、どちらか早い方で交換してください。変更間隔を延長するためにフィルターをバイパスしないでください。
• ブリーザーのメンテナンス: リザーバーブリーザーは、液面の変化に応じて大気中の粉塵がタンクに侵入するのを防ぎます。ブリーザーが詰まると、リザーバー内に真空が生じ、実際にポンプにキャビテーションが発生する可能性があります。ブリーザーはオイル交換ごとに交換してください。
• 液体交換間隔: 鉱物油を使用する一般的な産業サービスでは、2,000 ～ 4,000 時間ごとに液体を完全に交換するのが妥当な基準です。高温または高汚染環境では、より頻繁な交換が必要になります。固定のカレンダー間隔ではなく、流体分析データに基づいてスケジュールを推進します。
• 目視検査ルーチン: 毎週のチェックには、液面、温度計、フィルター制限インジケーター、および浸出液がないかすべての外部継手とホースの目視スキャンを含める必要があります。浸出継手を早期に発見することで、ホースの故障やシステム全体の汚染を防ぎます。

用途に合わせた油圧パワーユニットのサイジング

HPU のサイジングを正しく行うには、必要な力、必要な速度、デューティ サイクル、および動作圧力という 4 つの相互に関連するパラメーターを処理する必要があります。これらのいずれかを省略すると、ユニットの規模が小さくなってパフォーマンス目標を達成できなくなるか、ユニットが大きすぎて資本とエネルギーが無駄になってしまいます。

ステップ 1: 必要な力を定義し、使用圧力を選択する

アクチュエータが処理しなければならない最大負荷から始めます。摩擦と背圧損失のために 25% を追加します。使用圧力 (一般的な産業作業では通常 1,500 ～ 3,000 PSI) を選択し、必要なシリンダー ボアを計算します。 あrea = Force ÷ Pressure 。作動圧力が高くなると、シリンダーの小型化と構造の軽量化が可能になりますが、より優れた密閉性とより強力な濾過が必要となります。

ステップ 2: 必要な流量を決定する

必要な流量 (GPM) = シリンダー面積 (平方インチ) × 必要な速度 (インチ/分) ÷ 231。シリンダーが 3 インチのボア (面積 = 7.07 平方インチ) で 4 秒で 12 インチ (180 インチ/分) 伸ばさなければならない場合、必要な流量はおよそ 5.5GPM 。バルブ損失と内部漏れのために 10 ～ 15% を追加します。

ステップ 3: モーターの馬力を計算する

HP = (PSI × GPM) ÷ (1,714 × 全体効率)。 2,500 PSI、5.5 GPM、効率 85% のシステムの場合、必要なモーターの HP は約 9.4馬力 。次の標準モーター フレーム サイズに切り上げます。この場合は 10 HP モーターです。

ステップ 4: デューティサイクルに合わせてリザーバーとクーラーのサイズを決定する

あ machine running continuously at full load needs a larger reservoir and more cooling capacity than one cycling 20% of the time with long idle periods. For continuous duty, size the reservoir at ポンプの毎分流量の 5 倍 また、入力電力の少なくとも 25% を熱として遮断する定格のアクティブ クーラーが含まれています。