油圧ホースアセンブリの設計:エンジニアのための完全ガイド

寄稿編集者、Josh Cosford 著

他のフィッティングやアダプターと同様に、油圧ホース アセンブリも油圧設計者にとっては後から考えられるものであることがよくあります。むしろ、独自の油圧回路の作成にも取り組みたいと思っていますが、機械設計に対する総合的なアプローチの重要性を忘れてはなりません。流体力発電技術者は、ホースが確実に専門的に作成され設置されるようにするためのパズルの重要なピースですが、コストの削減、設置の容易化、信頼性の向上には、事前の配慮が大いに役立ちます。

あなたが機械自体を担当するエンジニアではなく、油圧設計者であると仮定すると、ホース アセンブリを計画する際には多くの考慮事項があります。一般に、機械のホース アセンブリを選択および計画する際には、ホースの構造、ホース端の選択、配線オプションの 3 つのことを考慮する必要があります。

まず最初に行うこと:ホースの構築

適切なホース構造スタイルを選択することは、お客様に効果的で安全な油圧機械を提供する上で最も重要な役割を果たします。圧力の適合性は、ホースを選択する際に考慮する必要がある主な要素であり、SAE J517 油圧ホース規格に関する以下の表を出発点とする必要があります。

油圧ホース構造規格 SAE J517

機械が経験する最大使用圧力範囲に基づいて油圧ホースを選択する必要があります。この範囲では、油圧の中心となる最大直径 (最低圧力) と最小直径 (最高圧力) が考慮されています。その性質上、小さなホースは大きな直径のホースよりも容易に高圧に対応できるため、マシンの流量に必要な直径の圧力定格についてホースのプロバイダーに確認してください。

すべての油圧ホースは、耐圧の半分、破裂圧力のさらに半分の作動圧力で定格されています。システムに圧力スパイクが発生しやすい場合は、公称使用圧力よりわずかに高い定格のホースを選択する必要がある場合があります。耐圧力は、油圧ホースが永久的な損傷を受けるポイントを表すため、圧力計の境界線に接しないようにするのが最善です。

多くの場合、少なくとも 3,000 psi で動作するマシンにさまざまなホース サイズがある場合は、由緒ある 100R1 および 100R2 規格を避けたほうがよいでしょう。多くの機械メーカーは、100R17 などの等圧ホースの指定の 1 つを標準化しており、3/16 から 1 インチまでのすべてのホースの定格は 3,000 psi です。人気の高まりにより、多くのホース メーカーがこの設計にスケールアップし、生産コストが削減されました。

ホースの内径を変更する場合は、正しい内径のホースを使用することが非常に重要です。システム圧力を変更することができます。交換用ホースが流量に対して小さすぎる場合は、新たな制限が生じたことになります。システム圧力が上昇します。
画像提供：LunchBox Sessions

3,000 psi を超える大口径ホースが必要な場合は、4 層または 6 層のスパイラル巻き補強ワイヤーを採用した 100R12、100R13、100R15 などのオプションを検討する必要があります。使用圧力より 25 ～ 50% 高いホースを選択することを推奨する人もいますが、実際には、厳しいホースのガイドラインで圧力スパイクがすでに考慮されており、メーカーはそれに応じて製造しています。

フローに関する考慮事項

ホースの構造タイプが決まったら、流れに最適な直径が必要になります。差動シリンダーや後退中にキャップ ポートから生成される添加剤の流れなど、特有の状況を考慮することを忘れないでください。面積比が高い場合、流量が 2 倍を超える可能性があるため、ホースのサイズが適切であることを確認してください。

油圧ホースの流量については絶対的な説明はありません。最大流速は 4 つのシナリオによって決定されるためです。最大流速は通常、圧力降下のような計算が難しいものではなく、制限要因となります。ローエンドから始めて、吸引ラインを通過する過剰な速度を防ぎます。真空によりキャビテーションと呼ばれる自発的な気泡の形成が発生する可能性があります。経験則として、吸引ラインが 3 ～ 4 フィート/秒を超えないようにしてください。常に低い方が良いため、スペースが許せば 1 フィート/秒を目指しても問題はありません。

左側は、このホースに許容される最小曲げ半径です。右側では、ホースの曲げ (赤で表示) が、メーカーが許可する最小曲げ半径 (緑で表示) よりもはるかにきつくなっています。
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また、ケースのドレンとパイロットラインの速度が 1 フィート/秒以下に制限されていることを確認してください。いかなる状況においても、ポンプの内部構造や制御装置に損傷を与える危険を冒してはいけません。ほとんどの場合、プレッシャーラインとリターンラインの速度をより自由に設定できます。ポンプ圧力や作業ラインなどの圧力ラインは、20 ～ 30 フィート/秒の範囲であり、圧力によって異なります。高圧システムは、最大圧力に比べて圧力降下による流体の損失が少ないため、高速度に適しています。たとえば、4,000 psi システムで 30 フィート/秒で実行することは、1,000 psi システムで 30 フィート/秒で実行するよりも問題が少なくなります。

吸い込みラインほどではありませんが、戻りラインも速度を制限できるサイズにする必要があることに注意してください。この場合、約 6 ～ 10 フィート/秒で動作するのが合理的であり、主な目的は、バルブとケース ドレンのタンク ラインの背圧を制限することですが、リターン フィルター ハウジングでの過剰な圧力も防ぐことです。理想的な流体速度にもかかわらず、ラインのサイズについてはある程度考慮する必要があります。小さなラインは自然に圧力降下が起こりやすいため、たとえ理想的な速度範囲内に収まっていたとしても、非常に小さな吸引ライン、圧力ライン、戻りラインは避けてください。

内径が小さいホースは、境界層を不釣り合いに流れる流体からのより高い摩擦力を受けます。逆に、より大きなホースでは、流れが中心を通ってチューブ内壁から離れることができます。同様に、戻りラインと圧力ラインでは乱流とエネルギーの散逸が発生しやすくなり、圧力降下が発生します。迷った場合は、直径を安易に決めつけず、ホース アセンブリのサイズが小さすぎるためにトラブルが発生する危険を冒してください。実際には、油圧機械用のホース アセンブリのセットを作成する場合、2 インチの吸引ホース、3/4 インチの圧力ホース、1 インチの戻りホース、1/2 インチのケース ドレン ホースがよく見られます。

ホースの端を見落とさないでください

現在、機械の油圧に最適な構造タイプを最終的に決定し、システムの流れに合わせて内径を改良しました。次に、ホースの端を選択する必要があります。あなたは 2025 年に油圧設計者になっているのですから、無理はせずにやりましょう。合成ゴムシールを使用した漏れのない接続のみを選択します。申し訳ありませんが、NPT と JIC、あなたは素晴らしかったです。私は私たちのすべての思い出を大切にしていますが、それは私ではなくあなたです。 O リング フェイス、O リング ボス、フランジは、この関係においてさらに多くのことを提供します。

ORFS はすぐに最適な接続となり、漏れのない接続で JIC スタイルの利点をすべて提供します。さまざまなサイズがあり、ホース端は 45° および 90° に曲がり、メス端には取り付けが簡単なスイベルが装備されています。簡単に交換可能な O リングがオス側の端面に配置されているため、漏れが発生した場合に迅速に修理作業を行うことができます。

一般的な SAE Code 61 および Code 62 スタイルなどのフランジ継手は、一般に高圧および/または高流量接続に使用されます。スプリット フランジ接続により、技術者はホースの端を適切に位置合わせして、絡みやねじれを避けることができます。また、ORFS フィッティングと同様に、O リングはオスの端にあります (オスはポートが位置する平らな接続面に取り付けられるため、「メス」フランジはありません)。

通常、O リングボスタイプの継手はホースエンドへの中間接続として使用されます。 BSPP またはメトリックと同様に、これらはポートネジの上部に位置するポリマーシールを使用し、ポートネジ内のキャビティ (ORB) または結合ワッシャー (BSPP およびメトリック) によってシールされます。ただし、オスフィッティングには高価なライブスイベルが必要なため、ORBがホースエンドとして使用されることはほとんどありません。これらは市販されており、ストレートまたは 90 度の向きで入手できますが、多くの設計者はメス ホース接続を好みます。

ヘイトメールを軽減するために、一部のマシンは JIC および NPT フィッティングを喜んで使用していることを言及しておきますが、それはまったく問題ありません。ただし、この設計者向けガイドは優れた技術に偏っており、交換可能なシールを備えたホース端以外のものを推奨しないのは不謹慎です。 ORFS とフランジ フィッティングは単純に優れているため、時代に合わせて使用​​してください。そのため、JIC はチューブ フレア システムで使いやすいという事実にもかかわらず、多くのメーカーが ORFS 用の 2 ピースのチューブ接続を提供しており、フランジ フィッティングをチューブに溶接することもできます。さらに、この記事は実際にはホース アセンブリに関するものであり、チューブ配管に関するものではありません。

ホースは高圧サージによって長さが変化する可能性があるため、拡張のために十分な余裕を与えることが重要です。
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レイアウトと配線

油圧設計者にとっての最終的な考慮事項は、機械自体のホース アセンブリの物理的なレイアウトに関係します。ホースは、単に点 A と点 B を接合するよりも優れています。ホースの方向、レイアウト、取り付けは、摩擦摩耗、過剰な接合圧力、ねじれ/トルク力を防止する必要があります。写真は、圧着ジョイントでの曲がりを防ぐために油圧ホース アセンブリを取り付けるさまざまな間違った方法と正しい方法を示しています。ホースの重みによって、スチール製ホースの端がホース カバーを挟む部分が曲がることがないようにしてください。ホースの重みによってたるみが発生する場合は、ホースの端を 90° にして曲がりを支え、ホースが自然に垂れ下がるようにしてください。

ホースの長さは、接続時や締め付け時の応力を防ぐのに十分な長さである必要がありますが、ホースやその他の表面にこすれたり振動したりするほど長すぎてはなりません。長いホースの場合は、多くの技術のいずれかを使用して機械にクランプする必要があります。メーカーは、ホースをきちんとクランプするために、機械に溶接またはボルトで固定されたブロック、サドル、クランプ、およびさまざまなテクノロジーを提供しています。

ホースを適切にサポートするにはクランプを使用する必要があります。これにより、加圧時のばたつきが防止され、フィッティングに不必要な負担がかかりません。画像提供：LunchBox Sessions

このようなシステムにホースの長さを取り付けるときは、接続間のクランプまたはホースの両方を締めすぎないように注意してください。圧力と温度のサイクルを管理するには、カバーや補強層を損傷する可能性のある過度のクランプを防止しながら、各接続ポイント間にわずかな緩みを持たせる必要があります。ホースが硬い表面や他のホースと擦れるのを防ぐことができない場合は、摩耗と摩擦を軽減するように設計された保護ラップを各ホースに取り付けます。これらは、産業降下物や紫外線などの周囲または環境による損傷からも保護することができ、ホースが水路や梁の内側に配線されている場合にも使用する必要があります。

油圧設計者が自分の役割を包括的であると考える場合、元の回路図から最終製品に至る機械設計のすべての層を、可能な限り最も効率的、経済的、効果的な設計を実現するためにインテリジェントに計画および組織化する必要があります。ホース アセンブリは基本的なものに見えますが、ホースが破裂したり損傷したりして油圧システムが故障した場合、機械の残りの部分はあまり重要ではありません。

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