ポータブルスタッカー電源ユニット
カテゴリー:DCシリーズ油圧パワーユニット
このポータブルスタッカー油圧ユニットはポータブルスタッカー用に設計されており、高圧ギアポンプ、永久磁石DCモーター、中央バルブブロック、カートリッジバルブ、燃料タンクを統合し、スタッカー用の統合油圧駆動システムを提供します。 複動式オイルシリンダの上昇・下降はモータと電磁弁により制御され、モータ出力...
詳細を見る油圧学は、圧力下での液体の機械的挙動を研究する物理学および工学の分野です。科学の核心は、次の 3 つの基本原則に基づいています。 パスカルの法則 、 連続方程式 、そして ベルヌーイの定理 。これら 3 つの法律は、単純な油圧ジャッキから複雑な産業用ジャッキまで、あらゆるものに適用されます。 油圧ユニット 製造用の重機を運転する仕事です。これらを理解することは学術的な作業ではなく、実際のアプリケーションでシステムがどのように設計、サイズ設定され、維持されるかを直接決定します。
油圧システムは、わずかなエネルギー損失で長距離にわたって巨大な力を伝達できます。まさにプレッシャー 3,000 psi (207 バール) 10 平方インチの面を持つピストン全体に適用されると、30,000 lbf の押す力が発生します。これは、構造用鋼を曲げたり、荷物を積んだトラックの車軸を持ち上げたりするのに十分です。この種のてこ作用が可能なのは、気体とは異なり、液体がほぼ非圧縮性であり、基礎となる物理学により、機械的結合では一致できない方法で力を増幅、方向転換し、正確に制御できるからです。
ブレーズ パスカルは 17 世紀に次のような原則を定式化しました。 密閉された静的な流体にかかる圧力は、流体全体および容器の壁に全方向に均等に伝達されます。 。数学的には、これは次のように表されます。
どこで P は圧力 (Pa または psi)、 F 加えられる力 (N または lbf)、および あ 断面積 (m² または in²) です。実際の意味は非常に深いです。小さなピストンを押し、それを流体を介して大きなピストンに接続すると、力は面積の比率に比例して増幅されます。
1 平方インチのピストンを備えた小さなシリンダーが 500 lbf を発生することを想像してください。これにより、500 psi のシステム圧力が供給されます。同じ 500 psi を 20 平方インチのピストンを備えたシリンダーに接続すると、出力は次のようになります。 10,000ポンド — ギアやレバーを必要としない 20:1 のメカニカルアドバンテージ。まさにこれが、射出成形金型のクランプ、金属スタンピングのプレス、掘削機のアームの延長に油圧シリンダーが使用される理由です。
で 油圧ユニット , パスカルの法則は、回路内のすべてのアクチュエーターの設計を支えています。ポンプは圧力を生成します。パスカルの法則により、システムが静的であり、流体柱が各分岐で同じ高さであると仮定して (重力の影響は別として)、圧力がすべてのアクチュエータに同時に均一に到達することが保証されます。リリーフバルブ、減圧バルブ、シーケンスバルブはすべてこの原理を利用して、適切なタイミングで適切なアクチュエータに力を伝えます。
パスカルの法則は、重力によって流体柱によって加えられる圧力も考慮します。
どこで ρ は流体密度 (kg/m3)、 g は重力加速度 (9.81 m/s²)、そして h は身長(メートル)です。約 870 kg/m3 の作動油の場合、垂直カラム 1 メートルごとに約 0.085 bar (1.24 psi) 圧力の。ほとんどの産業システムではこれは無視できますが、垂直距離が 100 m を超える可能性がある海底および鉱山用途では、この水頭圧力が重要な設計パラメータになります。
パスカルの法則が静圧を支配する一方で、 連続方程式 運動中の流体の挙動を支配します。パイプ内を流れる非圧縮性流体の場合、体積流量は一定に保たれなければならない、つまり、流路に沿ったどの点でも断面積と流体速度の積が一定である必要があると記載されています。
どこで Q は流量 (L/min または gpm)、 あ はパイプ断面積 (m²)、そして v は流体速度 (m/s) です。パイプの直径を小さくすると、同じ流量を維持するために流体を加速する必要があります。増やすと速度が落ちます。
ほとんどの油圧エンジニアは、次の範囲の流体速度を目標にしています。 圧力ラインでは 2 ~ 4 m/s、戻りラインでは 1 ~ 2 m/s 。速度が高くなると乱流(レイノルズ数で測定)が増加し、圧力降下、発熱、バルブシートやポートエッジの侵食が発生します。戻りラインの速度が低いと、ポンプ入口でのキャビテーションが防止されます。これは、おそらくあらゆる油圧回路で最も破壊的な状態となります。
を指定する場合 油圧ユニット 特定の用途では、連続性の方程式に基づいて、チューブの直径、マニホールドのポート サイズ、フィルター エレメントの定格が選択されます。 10 mm ボアラインを通る 45 L/min ポンプの供給により、約 9.5m/秒 — 許容限界をはるかに超えています。ボアを 16 mm に増やすと、速度は約 3.7 m/s に低下します。これは、圧力ラインの推奨範囲内に収まります。
同じ式でアクチュエータの速度が決まります。油圧シリンダ 63mmボア (面積 ≈ 31.2 cm²) 50 mm/s で伸びると、次の流量が消費されます。
これを知っていると、システム設計者は、ハードウェアを購入する前に、ポンプ、方向制御バルブ、および流量制御バルブのサイズを適切に決定できます。連続方程式は、あらゆる油圧回路設計の算術的バックボーンです。
ベルヌーイの方程式は流体の流れのエネルギー保存則です。それは、流線に沿って流れる非圧縮性で摩擦のない流体の場合、単位体積あたりの総機械エネルギーは一定のままであると述べています。
この方程式は、流体の速度が増加すると静圧は減少する必要があり、その逆も同様であることを示しています。 3 つの項はそれぞれ、静圧エネルギー、運動エネルギー、位置 (重力) エネルギーを表します。
ベルヌーイの原理は、いくつかの重要な油圧コンポーネントの動作を直接説明します。
優れたデザインの場合 油圧ユニット , エンジニアがポンプ入口に短く大口径の吸引ライン、最小限の曲がり、細かいフィルターではなく適切なサイズのストレーナーを使用することにこだわる理由は、ベルヌーイの原理にあります。吸引側のあらゆる制限により、流体速度が局所的に増加し、静圧が低下し、システムがキャビテーション閾値に近づきます。
上記の 3 つの古典的な原則は、摩擦のない非圧縮性の理想的な流体を前提としています。本物の油圧オイルはこれらのどれでもありません。粘度 (せん断に対する流体の内部抵抗) は、パスカルの法則、連続性、ベルヌーイが実際のシステムにどのように適用されるかを変更する現実世界の主要な特性です。
油圧では粘度の 2 つの尺度が重要です。 動粘度 (μ、Pa・s または cP 単位) は、せん断応力に対する抵抗を直接測定します。 動粘度 (ν、単位: mm²/s または cSt) は動粘度を密度で割ったもので、作動油のデータシートでほぼ広く引用されている値です。ほとんどの産業用油圧システムは、ISO VG 32 ~ ISO VG 68 の範囲のオイルで動作します。つまり、動粘度は 40°C で 32 ~ 68 cSt .
レイノルズ数 (Re) は、パイプ内の流れが層流か乱流かを予測します。
Re ≈ 2,300 未満では、流れは層流になります。つまり、スムーズで予測可能で、摩擦損失が低くなります。 Re ≈ 4,000 を超えると、流れが乱流になり、無秩序になり、摩擦損失が増大し、発熱が増大し、浸食や騒音が発生する可能性が高くなります。 ほとんどの油圧ラインは層流領域で動作します。 これが、ハーゲン・ポアズイユの法則が次の行の圧力損失の計算に適用される理由です。
この式は、圧力降下が直径の 4 乗に比例することを示しています。つまり、パイプの直径が半分になると、圧力降下は 16 倍増加します。これが、サイズが小さいリターン ラインとケース ドレン ラインが、現場に設置された油圧回路のコンポーネント故障の最も一般的な原因の 1 つである理由です。
作動油の粘度は温度によって大きく変化します。典型的な ISO VG 46 ミネラルオイルは約 0°C で 220 cSt ~ 40°C で 46 cSt ~ 80°C で約 15 cSt 。粘度が低いと、ポンプピストン、バルブスプール、モーター整流子の内部漏れが大幅に増加し、体積効率が低下し、速度制御が不安定になります。高粘度(コールドスタート)では、粘度の高い流体がポンプ吸入口への流入に十分な速さで抵抗するため、キャビテーションのリスクが高まります。油温の維持 40~60℃ 動作ウィンドウは、熱交換器とサーモスタットを備えた水力発電ユニットの中心となる設計要件です。
A 油圧ユニット (HPU) 油圧回路用の加圧流体を生成および調整する内蔵型アセンブリであり、通常はモーター、ポンプ、リザーバ、濾過、熱交換器、および制御バルブで構成されます。すべての主要コンポーネントは、上で説明した原則の 1 つ以上を具体化しています。
| HPU コンポーネント | 主要な科学原理 | デザインへの影響 |
|---|---|---|
| 油圧ポンプ | パスカルの法則 Continuity | 排気量 (cc/rev) × 速度 (rpm) = 流量;トルクが圧力を決定する |
| リリーフバルブ | パスカルの法則 | 最大システム圧力を制限します。 F=P×Aのときポペット上昇(スプリングセット) |
| サクションストレーナー | ベルヌーイの定理 | 細かいメッシュにより速度の増加、圧力降下、キャビテーションのリスクが発生します |
| 流量制御弁 | 連続性ベルヌーイ | オリフィス領域が速度を制御します。オリフィス両端のΔP が Q を支配します |
| 油圧シリンダ | パスカルの法則 Continuity | 力 = P × ボア面積;速度 = Q / ボア面積 |
| 熱交換器 | 粘度/熱力学 | 粘性とシールの完全性を維持するためにオイルを 40 ~ 60°C の温度範囲に維持します |
| 貯水池 | 連続流体力学 | 体積 = 3 ~ 5 × ポンプ流量 (L/min) により、空気の放出、放熱、沈降が可能になります。 |
実際の油圧ポンプは、粘性により高圧ゾーンから低圧ゾーンまでの内部クリアランスを越えて少量の流体が漏れる可能性があるため、1 回転あたり理論上の押しのけ量の 100% を発揮することはありません。 体積効率 通常は実行されます 90~98% 中速域でのメンテナンスの行き届いたアキシャルピストンポンプに最適です。圧力が上昇すると漏れが増加し、体積効率が低下します。オイルの粘度が低下すると(高温または不適切なグレード)、漏れがさらに増加します。これらの関係を理解することで、エンジニアは任意の動作点での実際の出力流量を予測し、適切なパワーリザーブを持つモーターを指定できます。 計算された需要を 10 ~ 15% 上回る .
油圧力は圧力と流量の積です。 SI 単位では:
インペリアル単位: P (hp) = Q (gpm) × ΔP (psi) / 1714。この関係は、あらゆる言語で実行される最初の計算です。 油圧ユニット サイズ調整の練習。 200 bar で 80 L/min を必要とするシステムには、理論上の最小入力電力が必要です。
システム全体の効率が約 85% (ポンプの機械容積 × モーター) であるため、電気モーターは少なくとも定格が必要です。 31.4kW 。モーターのサイズが小さすぎると、熱過負荷が発生します。サイズを大きくしすぎると資本が無駄になり、無負荷時の消費電力が増加します。
熱力学の法則は、油圧回路におけるすべてのエネルギー損失が最終的に熱に変換されることを意味します。損失の原因を理解することで、設計者は損失を最小限に抑えることができます。
よく設計された 油圧ユニット 設計段階で、可変容量ポンプ、適切なサイズの導体、クリアランスが制御された厳しい公差のコンポーネント、および高速動作回路のプレフィル アキュムレータを通じて、4 つの損失メカニズムすべてに対処します。
油圧技術者は日常的にオイルを非圧縮性として扱います。低速または定常状態の用途では、これは有効な単純化です。しかし、石油は完全に非圧縮性ではありません。一般的な鉱物性作動油の体積弾性率は約 14,000 ~ 17,000 bar (1.4 ~ 1.7 GPa) 。これは、200 bar でオイルがおよそ 1.5 倍圧縮されることを意味します。 1.2~1.4% そのボリュームの。
ほとんどのシステムでは、これは重要ではありません。しかし、次の 3 つのシナリオでは、これが非常に重要になります。
キャビテーションとエアレーションは水力学における 2 つの最も破壊的な現象であり、どちらも上で説明した流体物理学の直接的な結果です。
キャビテーション 局所的な静圧が流体の蒸気圧を下回ると発生します。通常は約 0.02 ~ 0.05 bar 絶対圧 動作温度での鉱物油の場合。その理由はベルヌーイの原理で説明されます。制限された流路によって速度が上昇し、静圧が低下します。圧力が蒸気圧を下回ると、溶存ガスと油蒸気がフラッシュして泡になります。これらの気泡が高圧ゾーンに入ると、非対称に崩壊し、局所的な圧力スパイクを生成します。 1,000バール そしてそれ以上の気温 1,000℃ 崩壊点で。その結果、ポンプ バレル、バルブ シート、モーター ポーティング プレートに、視覚的にはサンド ブラストに似た孔食が発生します。
キャビテーションの兆候には、ポンプからのパチパチという大きな騒音 (エアレーションの騒音とは異なります)、容積効率の急速な損失、およびオイル サンプルの金属汚染の加速などが含まれます。予防は簡単です。ポンプ入口で適切な正圧 (NPSH - 正味吸引ヘッド) を維持し、大口径の吸引ラインを使用し、ポンプをリザーバーの近くおよびリザーバーの下に取り付け、吸引側の細かいストレーナを避けます。
あeration 流体中への自由空気またはガスの同伴であり、溶解ガスとは異なります。原因としては、オイル レベルの低下 (吸引により空気が吸い込まれる)、ポンプのシャフト シールの漏れ (吸引真空下での空気の取り込み)、設計が不十分なリターン ラインにより流体表面上にオイルが放出され、空気がリザーバ内に吹き込まれることが含まれます。空気を含んだオイルは圧縮性があり、スポンジ状で、酸化しやすく(空気は熱劣化を促進します)、マイクロディーゼル効果によってポンプ表面に損傷を与えます。含まれた気泡は急速な圧縮下で自己発火し、オイルが局部的に焦げ、金属表面にワニスが付着します。
油圧ポンプは、加圧されたオイルの流れを生成することにより、機械エネルギーを流体力に変換します。 3 つの基本的なポンプ 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おり、それぞれが核となる科学原理を異なる方法で適用しています。
外接歯車ポンプは、公差の狭いハウジング内で回転する 2 つの噛み合う歯車を使用します。歯が入口側で外れると、流体を引き込む膨張容積 (低圧力) が生じます。出口側で再び噛み合うと、封入された流体が圧力ライン内に確実に押し出されます。ギアポンプは固定容量型で堅牢かつシンプルです。動作圧力は通常次の値に達します 200~250バール 建設機械、農業機械、産業用油圧ユニットの低圧回路で標準的な選択肢となっています。
ベーン ポンプは、偏心ローター内のスロット内で半径方向にスライドする、バネ荷重または圧力荷重のブレードを使用します。ローターが回転すると、ベーンの先端がカム リングのプロファイルに従い、膨張および収縮するチャンバーを作成します。ギアポンプよりも低騒音でスムーズな流れを実現し、最大で動作します。 175バール そのため、騒音が懸念される工作機械、射出成形、パワーステアリング用途で人気があります。
アキシャル ピストン ポンプは、回転するシリンダー ブロック内で円形パターンに配置された複数のピストン (通常は 7 つまたは 9 つ) を使用します。ブロックが角度のついた斜板に対して回転すると、ピストンが前後に往復運動します。斜板の角度を変えることで吐出量を制御するポンプです。 可変変位 — いつでもシステムが要求するフローを正確に提供できます。動作圧力は日常的に次の値に達します 350~420バール 、そして some designs are rated to 700 bar. They are the pump of choice for high-performance industrial Hydraulic Power Units, servo-controlled presses, and all major mobile hydraulic systems including excavator main circuits.
| ポンプの種類 | 最大圧力 (bar) | 可変変位 | 代表的な用途 | 騒音レベル |
|---|---|---|---|---|
| 外歯歯車 | 200~250 | いいえ | 建設、農業 | 高 |
| ベーン | 150~175 | 一部のモデル | 工作機械、成形品 | 低~中 |
| あxial Piston | 350~420 | はい | 産業用 HPU、モバイル | 中 |
| ラジアルピストン | 最大700 | はい | 高-force presses, test rigs | 低~中 |
原則を理解することは別のことです。設計中にそれらを体系的に適用することは別のことです。次の順序は、経験豊富な油圧システム エンジニアが新しいアプリケーションにどのようにアプローチするかを示しています。
各ステップでは、この記事で説明した 1 つ以上の基本原則が直接適用されます。いずれも当て推量を必要としません。油圧は決定論的な科学であり、このプロセスを経てサイズ調整された油圧パワーユニットは、流体が正しく維持されていれば、初日から仕様通りに正確に動作します。
粒子汚染の原因は次のとおりです。 70~80% 主要なポンプとバルブのメーカーからのデータによると、油圧コンポーネントの故障の割合。その理由は、コンポーネントの物理学に直接根ざしています。通常、ポンプのピストンとシリンダー ボアの間、またはスプール バルブとそのボアの間の隙間は、 5~25マイクロメートル 。これらのクリアランスより大きい粒子は三体摩耗を引き起こし、自己加速劣化サイクルでより多くの粒子を生成します。
液体の汚染も、あまり目立たないものの同様に破壊的な方法でパフォーマンスを低下させます。
適切な油圧メンテナンスは意見や習慣の問題ではなく、物理学から論理的に導き出されます。各メンテナンス タスクは、上記の原則に基づいた特定の障害メカニズムにマッピングされます。
あ 油圧ユニット 基礎となる科学を徹底的に理解した上で維持されているため、長期間にわたって確実に機能します。 20,000 ~ 50,000 時間 大規模なオーバーホールの前に — 汚染管理と熱管理を無視すると耐用年数が大幅に短くなり始めます。