油圧はどのように働くのでしょうか?完全ガイド

油圧の仕組み: 簡単な答え

油圧は、密閉された非圧縮性の流体 (ほとんどの場合は油) を介してある点から別の点に力を伝達することによって機能します。ポンプが流体を密閉システムに押し込むと、圧力が発生し、ポンプが接触するすべての表面で全方向に均等に作用します。次に、その圧力はシリンダーまたはモーターに送られ、そこで機械的な力または回転に変換されます。その結果、比較的コンパクトな装置で巨大な荷物を移動できるようになります。

基礎となる原理はパスカルの法則です。つまり、閉じ込められた流体に加えられる圧力は、その流体全体に減衰せずに伝達されます。 数学的に表現すると、P = F/あ となります。ここで、P はパスカルまたは psi 単位の圧力、F はニュートンまたはポンド単位で加えられる力、A は平方メートルまたは平方インチ単位の面積です。この関係は、シリンダーの面積を変えることによって、システムが力を劇的に増大または減少できることを意味します。これは、体重 70 kg の技術者が小さなポンプのハンドルを押して 20 トンのプレス機を持ち上げることができるのと同じ理由です。

工場のプレス機から建設用掘削機に至るまで、あらゆる産業用油圧システムは、これと同じ一連のイベントに依存しています。 油圧ユニット (HPU) 加圧流体を生成し、制御バルブがそれを制御し、アクチュエータがそれを仕事に変換します。各ステップを理解すると、高い力密度と正確な制御の両方が重要な場合に油圧が依然として好ましい選択肢である理由がわかります。

パスカルの法則: あらゆる油圧システムの背後にある物理学

ブレーズ パスカルは 1653 年に流体力学の法則を定式化しましたが、その工学的な意味が完全に活用できるようになったのは、19 世紀から 20 世紀になって、精密シールや高張力鋼管が開発されてからです。核となるアイデアは一見単純です。通常の作動圧力下では液体は意味のある圧縮をしないため、ある点で導入された力はシステム内の他のすべての点に即座に均一に伝播します。

基本的な 2 シリンダーの例を考えてみましょう。面積 1 cm2 のピストンに 100 N の力を加えると、生じる圧力は 100 N/cm2 = 1 MPa になります。その小さなシリンダーを、流体が満たされたパイプを介して面積 100 cm² の大きなシリンダーに接続すると、同じ 1 MPa の圧力が 100 cm² の面全体に作用し、10,000 N の出力力が生成されます。 このシステムは、追加のエネルギーを入力することなく、力を 100 倍に増大させました。 トレードオフは変位です。大きいピストンをわずか 1 mm 移動させるために、小さいピストンは 100 mm 移動する必要があります。エネルギーは保存されます。力は速度とストロークを犠牲にして増幅されます。

この力の増大原理が、重量とコンパクト性が同時に重要となる場合に油圧が登場する理由です。空気圧には限界があるため、8 bar (0.8 MPa) で動作する空気圧シリンダーは適度な力を生成します。一般的な工業用作動圧力である 250 バール (25 MPa) で作動する油圧シリンダーは、同じボア サイズから約 30 倍大きな力を供給します。

油圧システムのコアコンポーネント

完全な油圧回路は、相互に依存するいくつかのコンポーネントで構成されています。それぞれが特定の役割を果たしており、シールの摩耗、バルブのサイズ不足、リザーバーの汚染など、リンクの弱点によりシステム全体のパフォーマンスが低下します。

貯水池

リザーバは作動流体を貯蔵し、流体が再循環する前に気泡と熱を放散させます。工業用リザーバーは、適切な滞留時間を提供するために、ポンプの毎分流量のおよそ 2 ～ 3 倍のサイズになっています。通常、50 L/min ポンプは 100 ～ 150 L リザーバーと組み合わせます。このリザーバーにはブリーザー フィルター、レベル サイト グラス、ドレン プラグ、さらには温度計も収納されており、サーキットの状態監視ハブとなっています。

油圧ポンプ

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。圧力は、その流れが負荷、バルブ、経路の遮断などの抵抗に遭遇した場合にのみ発生します。 3 つのポンプ タイプが産業用およびモバイル アプリケーションを支配しています。

• ギアポンプ — シンプル、低コスト、約 250 bar までの圧力に適しています。固定変位のみ。
• ベーンポンプ — ギアポンプよりも静かで、最大約 175 bar の中程度の圧力で、体積効率が優れています。
• ピストンポンプ — 最高の効率、350 ～ 700 bar の能力、可変容量が可能で、要求の厳しい産業用や移動体での使用に適しています。

可変容量ピストンポンプは、需要が低下すると自動的に出力を低減し、部分負荷サイクル中のエネルギー消費と発熱を削減するため、水力発電ユニットにおいて特に価値があります。

コントロールバルブ

バルブは油圧回路の神経系です。方向制御バルブ (DCV) は、必要なアクチュエーターに流れを送ります。圧力リリーフバルブ (PRV) は、コンポーネントを過負荷から保護するために、最大システム圧力を制限します (通常はピーク動作圧力より 10 ～ 15% 高く設定します)。流量制御バルブは、流体がアクチュエータに出入りする速度を計測し、アクチュエータの速度を直接制御します。逆止弁が逆流を防ぎます。比例バルブとサーボバルブにより、精密な電子制御が追加され、精密用途において 0.01 mm を超える位置再現性による閉ループ位置または力調整が可能になります。

アクチュエーター

アクチュエータは油圧エネルギーを機械的仕事に変換します。リニアシリンダーは押す力または引く力を生成します。回転油圧モーターはトルクと回転を生成します。シリンダーの出力は F = P × A として計算されるため、200 bar (20 MPa) で動作する口径 100 mm のシリンダー (面積 ≈ 78.5 cm²) は次のように計算されます。 約 157,000 N — または 16 トン — の押す力 。同等のサイズの電気サーボ モーターからそのレベルの力を得るには、数倍大きくて重いモーターが必要になります。

フィルターと液体の調整

汚染は油圧コンポーネントの故障の最大の原因であり、流体動力業界のデータによると、すべての早期故障の推定 70 ～ 80% の原因となっています。リターンラインフィルター、サクションストレーナー、オフラインキドニーループ濾過システムにより清浄度レベルが維持されます。サーボバルブの用途には通常、ISO 清浄度クラス 16/14/11 以上が必要です。これは、流体 1 ミリリットルあたり 4 μm を超える粒子が 1,300 個未満であることを意味します。

油圧パワーユニットとは何か、そしてなぜそれが重要なのか

A 油圧パワーユニット (HPU) 油圧パワーパックと呼ばれることもありますが、リザーバー、ポンプ、原動機 (電気モーターまたは燃焼エンジン)、圧力リリーフバルブ、フィルター、熱交換器、および計器類を 1 つのパッケージ化されたユニットに統合した自己完結型アセンブリです。 HPU は、これらのコンポーネントをマシン フレーム全体に分散させるのではなく、ユニットとして設置、保守、交換できる 1 つの設計システムに統合します。

HPU の範囲は、1 ～ 5 kW を生成し 70 ～ 150 bar で動作するコンパクトなベンチトップ ユニットから、400 bar 以上の圧力で製鉄所のプレスを駆動する数メガワットの産業用電源ユニットまで多岐にわたります。ミッドレンジの産業用油圧パワー ユニットでは、30 kW の電気モーターと 45 cc/rev のアキシャル ピストン ポンプ、200 L のリザーバー、油温を 45 ～ 55°C に維持する水冷熱交換器、および 10 µm のリターンライン フィルターを組み合わせることができます。これらはすべて、一体型ドリップ トレイを備えた粉体塗装スチール ベース フレームに取り付けられています。

HPU を選択する際に評価すべき主な仕様

HPU の設計には、冗長性に関する選択も含まれます。海洋プラットフォーム制御システム、製鉄所圧延機、航空機地上支援装置などの重要なプロセスでは、多くの場合、2 つのポンプを備えた二重油圧パワー ユニットが使用され、1 つは稼働し、もう 1 つは自動切り替えで待機します。このような環境でのダウンタイムのコストは 1 時間あたり数万ドルを超える可能性があるため、多額の資本コストがかかっても冗長化は経済的に合理的になります。

圧力の生成、安定化、制御の仕組み

静的な式だけでなく、圧力の動的な挙動を理解することは、油圧システムの設計やトラブルシューティングを行う人にとって不可欠です。圧力は単にオンになるわけではありません。ポンプのタイプ、バルブの応答速度、ラインの長さ、流体の圧縮率に応じたパターンで上昇、ピーク、振動、安定します。

圧力スパイクとウォーターハンマー

方向制御弁が急速に閉じると、移動する流体の勢いが行き場を失います。その結果、圧力過渡現象 (スパイク) が発生し、5 ミリ秒未満で定常状態の動作圧力の 2 ～ 5 倍に達することがあります。 200 bar で動作するシステムでは、500 bar を超えると一時的なピークが発生することがあります。これらのスパイクは、繰り返しのサイクルでホース継手を疲労させ、マニホールドブロックに亀裂を与え、シールを破壊します。設計者は、蓄圧器 (エネルギーのスパイクを吸収する)、ゆっくりと閉まるバルブ、または制御された開口率を持つパイロット操作の逆止弁を使用してこれらに対抗します。

圧力リリーフバルブの役割

すべての油圧システムには、最も弱いコンポーネントの定格圧力よりも低く設定された圧力リリーフ バルブ (PRV) が必要です。ポンプが動作したままアクチュエータがストロークの終わりに達すると、何かが破裂するまで圧力が上昇します。圧力が設定値を超えると PRV が開き、流れをバイパスしてタンクに戻します。 これは通常の動作状態ではありません。PRV が開き続けると熱としてエネルギーが浪費され、システム設計または動作上の問題を示します。 正しい設計では、実際の過負荷イベント中にのみ PRV フローをルーティングし、大部分の時間は閉じたままにします。

アキュムレータ: 油圧エネルギーの貯蔵

油圧アキュムレータは、ブラダー、ピストン、またはダイヤフラムによって作動油から分離された、事前に充填されたガス (ほとんどの場合窒素) を含む圧力容器です。システム圧力がガスの事前充填を超えると、流体がガスを圧縮してエネルギーを蓄えます。需要の急増やポンプの故障などで圧力が低下すると、ガスが膨張して流体を回路に押し戻します。アキュムレータは、ピーク需要を補うためのエネルギー貯蔵、安全なシャットダウン作動のための緊急圧力供給、および脈動の減衰という 3 つの主要な機能を果たします。 150 bar にプレチャージされた 20 L ブラダー アキュムレータは、システム圧力で 8 ～ 12 L の短時間の流量補充を提供できます。これは、ポンプ損失後でも安全性が重要なバルブの動作を完了するのに十分です。

油圧作動油: すべてを機能させる媒体

油圧システム内の流体は、単なる力伝達媒体ではありません。同時に、ポンプ、バルブ、アクチュエーター内のすべての可動表面を潤滑し、ホットスポットから熱を運び、金属表面を腐食から保護し、フィルターに到達するまで汚染粒子を浮遊させます。間違った液体を選択したり、液体の劣化を放置すると、他のどのような要因よりも早くコンポーネントが破壊されます。

粘度とその温度依存性

粘度は最も重要な流体特性です。ほとんどの産業用油圧ユニットは ISO VG 46 鉱物油 (40°C で 46 センチストークス (cSt) の粘度グレード) を指定しています。温度が 80°C に上昇すると、粘度は約 12 cSt に低下します。 20℃では100cSt以上になることがあります。 最小粘度未満で使用すると、金属間の接触と急速な摩耗が発生します。最大粘度を超えて動作すると、キャビテーション、応答の遅れ、ポンプ入口真空度の上昇が発生します。 ほとんどのシステムは、最適なバランスを得るためにポンプ入口で 25 ～ 54 cSt を目標としています。

流体の種類とその用途

• 鉱物油 (ISO VG 32–68) — 最も一般的で、潤滑性と安定性に優れ、コスト効率が高く、耐火性はありません。
• 水-グリコール(HF-C) — 耐火性があり、炉やダイカストマシンの近くで使用されるため、鉱物油と比較してポンプの寿命が 30 ～ 40% 短縮されます。
• リン酸エステル（HF-D） — 耐火性に優れ、航空機や発電に使用される。特殊なシール材 (EPDM、PTFE) と専用の流体処理が必要です。
• 生分解性エステル (HETG、HEES) — 林業、海洋、食品加工などの環境に敏感な分野で使用されます。土壌中で28日間かけて生分解します。通常、鉱物油のコストの 3 ～ 5 倍です。
• 高含水流体 (HWCF、水分 95%) — 非常に低コストで耐火性がありますが、潤滑性が低いため、コンポーネントの定格を下げ、頻繁に液体を交換する必要があります。

液体の汚染とモニタリング

現在、粒子計数器、水分センサー、粘度分析計は、状態監視プログラムの一環として大型の油圧ユニットに定期的に取り付けられています。戻りラインの流体をサンプリングするオンライン粒子計数器は、致命的な故障が発生する数週間前に劣化したポンプ ベアリングを検出でき、緊急停止ではなく計画的なメンテナンス期間につながります。鉱物油中の水分含有量が 0.05%を超えると、流体が乳化し、軸受表面の油膜が破壊され、錆びが促進されます。 500 ppm (0.05%) の水でも、ローラー ベアリングの疲労寿命が最大 75% 減少することが示されています。

油圧システムの種類とその違い

すべての油圧システムが同じように構成されているわけではありません。回路アーキテクチャは、電力がどの程度効率的に使用されるか、システムの応答性がどの程度であるか、複数のアクチュエータからの同時要求をどのように処理するかを決定します。

オープンセンター システムとクローズドセンター システム

オープンセンター システムでは、アクチュエータが動いていないとき、流体は方向制御弁を通って連続的に循環してタンクに戻ります。これはシンプルで安価ですが、継続的にエネルギーを浪費します。クローズドセンターシステムでは、アクチュエータがアイドル状態の場合、ポンプの出力は役に立ちません。そのため、ポンプをアンロードするか停止するか、システムに出力をほぼゼロの流量に低減する圧力補償型可変容量型ポンプを取り付ける必要があります。 最新の産業用 HPU は、ほぼ独占的に可変容量ポンプを備えたクローズドセンター回路を使用しています。 、固定容量のオープンセンター代替品と比較して、アイドル時の消費電力を 60 ～ 85% 削減します。

荷重感知システム

ロードセンシング (LS) 油圧システムは、最も要求の高いアクチュエータに必要な圧力を継続的に監視し、その要求を満たすのに十分な圧力と流量にわずかなマージン (通常は負荷圧力より 15 ～ 25 bar 高い) を加えた圧力と流量を供給するようにポンプに命令します。ポンプは必要以上に激しく作動することはありません。負荷感知システムは、掘削機、クレーン、農業機械などの最新のモバイル機器に標準装備されており、負荷は秒ごとに劇的に変化し、燃料効率は運用の経済性に直接影響します。負荷感知掘削機は、同じデューティ サイクルの同等の固定圧力機械よりも燃料消費量を 15 ～ 25% 削減できます。

電気油圧システム

電気油圧システムは、機械式またはパイロット油圧式のバルブ作動を、PLC または専用のモーション コントローラーによって制御される電子ソレノイド、比例バルブ、またはサーボ バルブに置き換えます。これにより、プログラム可能な力と位置のプロファイル、データロギング、故障診断、業界自動化ネットワークとの統合が可能になります。射出成形機では、電気油圧サーボ制御により、射出圧力が設定値の ±1 bar 以内に維持され、位置が 0.05 mm 以内に維持されます。この機能により、製品の品質と再現性が変わります。これらの設備の油圧パワー ユニットには通常、可変速度ドライブ (VSD) モーターが組み込まれており、電気モーターの速度が需要に直接追従し、固定速度の HPU 設計と比較してエネルギー使用量をさらに 30 ～ 50% 削減します。

油圧が不可欠な現実の用途

油圧は、ほとんどの人が思っているよりも幅広い業界に存在します。油圧が提供する力密度と制御性は、同等のコストと規模では他の技術では再現できません。

• 建設および土木作業 — 20トンの掘削機は350バールの油圧を使用して150 kNを超える掘削力を発揮します。ブーム、アーム、バケット、スイング機能セット全体は、機械のシャーシに統合された単一の油圧パワー ユニットによって駆動されます。
• 工業用プレスおよび成形 — 油圧金属成形プレスは 100 ～ 80,000 トンの力で作動します。 5,000 トンの鍛造プレスは、同等のサイズの他の技術では物理的に不可能です。
• 海洋石油とガス — 海中油圧制御システムは、水深 3,000 m を超えるところで噴出防止装置やクリスマス ツリー バルブを作動させるために、最大 690 bar で動作します。 Surface HPU は、完全な冗長性と継続的な監視を備えて設計されています。
• 航空および航空宇宙 — 民間航空機の油圧システムは通常 207 bar (3,000 psi) で動作しますが、次世代航空機ではパイプとアクチュエーターの重量を軽減するために 345 bar (5,000 psi) に移行しています。操縦翼面、着陸装置、ブレーキはすべて油圧に依存しています。
• 鉄鋼および金属の加工 — 圧延機は油圧ギャップ制御 (HGC) を使用してロールギャップを 10 µm 以内に維持し、ストリップの厚さを直接制御します。圧延機用の HPU は、250 ～ 350 bar で 1,000 ～ 5,000 L/分を供給できます。
• 海洋および造船 — 大型船舶のステアリング ギア システムは、油圧ラムを使用して数百トンの重さの舵を回転させます。貨物船のハッチ カバーとクレーン システムはすべて油圧で駆動されます。
• 射出成形 — 大型射出成形機の油圧型締力は 5,000 トン以上に達し、最大 2,000 bar の溶融プラスチックの射出圧力に抗して金型の半分を閉じた状態に保持します。

一般的な油圧の問題とその根本原因

油圧システムの性能が低下したり故障した場合、アクチュエータの速度低下、動作の不安定、過度の騒音、過熱など、症状は表面的には似ているように見えますが、根本的な原因は異なります。誤診により、実際には問題ではない高価なコンポーネントが交換されることになります。

圧力が低いか不安定である

考えられる原因としては、内部漏れが多く摩耗したポンプ (容積効率を確認してください。ピストン ポンプの 85% 未満は摩耗を示します)、圧力リリーフ バルブの設定が低すぎるか、部分的に開いた状態で固着している、内部バルブ スプールの摩耗によりポート間漏れが発生している、またはピストンの高圧側からロッド側へ流体をバイパスしているシリンダー シールの故障などが考えられます。ポンプ出口、ポストバルブ、アクチュエーターなど、回路の各段階で体系的な圧力テストを行うことで、障害を迅速に特定します。

過度の熱

作動油は 65 ～ 70°C を超えると急速に劣化します。 60℃を超えると10℃上昇するごとに、液体の寿命は半減します。熱の発生は常に、バルブが部分的に閉じられている、フィルターが詰まっている、ラインが小さすぎる、リリーフバルブが頻繁に開きすぎるなど、制限部分での圧力降下によって引き起こされます。 熱交換器が最大能力で継続的に稼働している場合、システムには根本的なエネルギー効率の問題が発生します。 単に冷却の問題ではありません。可変容量ポンプ、負荷感知制御、および適切なサイズのラインが根本原因に対処します。大型のクーラーを追加することは症状を治療するだけです。

キャビテーションとエアレーション

キャビテーションは、局所的な流体の圧力が蒸気圧を下回ると発生し、圧力が回復すると激しく崩壊する蒸気泡を形成します。これにより、ブリキ缶の中の砂利のような騒音が発生し、1 時間あたり数ミクロンの速度で金属表面が浸食されます。エアレーションにより、リザーバーフォーム、吸引ライン接続部の漏れ、または液面の低さから気泡が発生します。どちらの状況もポンプを急速に破壊し、アクチュエータのスポンジ状の予測不可能な動作を引き起こします。 0.3 bar (225 mmHg) を超えるポンプ入口真空は、初期のキャビテーションのリスクを示す信頼性の高い早期警告指標です。

外部漏れ

シリンダーロッドシール、ホース継手、バルブ本体面のシール不良は、最も目に見える油圧の問題です。 1 秒あたり 1 滴という少量の外部漏れでも、1 日あたりおよそ 2 ～ 3 リットル、年間では 700 リットル以上に達します。液体のコストを超えて、外部漏れは火災の危険（熱い表面に噴霧された油は鉱油の場合約 150°C で発火します）、環境汚染、およびスリップの危険を引き起こします。シールの故障のほとんどは、過剰な圧力過渡現象、シールエラストマーを攻撃する汚染された流体、または流体の種類に対するシール材料の選択が間違っていることが原因です。

最新の水力発電ユニットのエネルギー効率

油圧は電気駆動に比べてエネルギー効率が悪いとして歴史的に批判されてきました。この批判は、需要に関係なくポンプがフル稼働する固定容量、固定速度のシステムには当てはまります。最新の油圧パワーユニットの設計は、可変容量ポンプ、可変速駆動モーター、負荷感知制御、および回生回路を通じて、そのギャップを大幅に埋めてきました。

サーボ制御の可変速度油圧ドライブ (サーボ モーターと固定容量ポンプを組み合わせたもの) は、油圧の力密度、コンプライアンス、過負荷耐性を維持しながら、多くのデューティ サイクルで直接電気ドライブのエネルギー効率に匹敵することができます。射出成形では、VSD-HPU 改修プロジェクトは、従来の固定速度 HPU 設置と比較して 40 ～ 60% のエネルギー節約を一貫して示しており、投資回収期間は 18 ～ 36 か月です。

回生油圧回路は、シリンダの収縮中にエネルギーを回収します。これは、重いラムが重力で下降する垂直プレス用途で特に価値があります。戻りの流れをポンプ シャフトに接続された油圧モーターに通すことで、システムは、従来の回路ではリリーフ バルブを介して熱として単純に放出される位置エネルギーの 20 ～ 40% を回収します。

油圧アキュムレータも効率の役割を果たします。 低需要期間にエネルギーを貯蔵し、ピーク需要時に放出することにより、適切なサイズのアキュムレータにより、より小型でより効率的な HPU が同じピーク負荷に対応できるようになり、資本コストとランニング エネルギー コストの両方を同時に削減できます。

油圧システムの寿命を延ばすメンテナンスの実践

油圧システムを適切にメンテナンスすると、通常 20 ～ 30 年の耐用年数が得られます。無視されたシステムは早期に故障し、多くの場合、高価な付随的損害を伴います。キャビテーションポンプが同じ故障イベントで下流のバルブを破壊したり、汚れたサーボバルブがボア自体に傷をつけて次のコンポーネントに研磨屑を流したりします。

1. 500 ～ 1,000 稼働時間ごとの液体のサンプリングと分析 — 粒子数、水分含有量、粘度、酸価、摩耗金属濃度は、問題が故障に至る前の完全な状態を物語ります。
2. カレンダースケジュールだけでなく、差圧インジケーターに基づいてフィルターエレメントを交換 — 負荷の軽いシステムでは、変更の間に 2,000 時間実行される可能性があります。負荷の高いシステムでは、500 時間で変更が必要になる場合があります。
3. 貯水池 inspection and cleaning at every major fluid change — スラッジとワニスがリザーバーの壁とドレンプラグに蓄積し、粒子が新しい流体に放出されます。
4. 6か月ごとのホース点検 — 油圧ホースの疲労寿命は、外観の状態に関係なく有限です。ほとんどのメーカーは、最長耐用年数を製造日から 6 年、または使用開始から 4 年のいずれか早い方を推奨しています。
5. 圧力リリーフバルブの毎年のテスト — PRV はドリフトしたり、固着したり、チャタリングしたりする可能性があります。 PRV が設定値より 20 bar 低く開くと、エネルギーが無駄になり、システムのパフォーマンスが制限されます。閉じたままになっているものは、アクチュエータのストール中にシステムに過剰な圧力がかかる可能性があります。
6. 動作中の熱画像 — 赤外線カメラは、温度計だけでは特定できない部分的に詰まったバルブ、高抵抗の継手、熱交換器の汚れなどのホットスポットを迅速に特定します。

油圧パワーユニットの事前メンテナンスは、ほとんどの場合、事後修理よりも安価です。 200 kW HPU のポンプ交換には、部品代と工賃として 8,000 ～ 15,000 ポンドかかる場合があります。連続プロセス産業では、部品やエンジニアを待っている間の計画外のダウンタイムによる生産損失は通常 1 日あたり 50,000 ポンドを超えており、積極的な予防保守プログラムであっても費用対効果が非常に高くなります。