油圧および油圧システムの基礎

油圧および油圧システムの基本

油圧は、動力伝達の媒体を表す油圧作動油を使用して力と運動を生成することです。油圧システムは、重機の操作にとって非常に重要です。 「水力」という言葉はギリシャ語の水に基づいており、もともとは静止時と運動中の水の物理的挙動の研究を意味していました。今日、その意味は、油圧作動油を含むすべての液体の物理的挙動を含むように拡張されました。油圧システムは業界にとって目新しいものではありません。それらは、多くの種類の産業機器の操作のための手段を提供してきました。産業機器の高度化に伴い、水力を利用した新しいシステムが開発されています。

油圧システムは、現代の生産プラントや製造設備で使用されており、鉄鋼業、鉱業、建設、および資材処理装置で主要な役割を果たしています。油圧システムは、材料を持ち上げ、押し、移動するための器具を操作するために使用されます。業界での油圧システムの幅広い用途は、1950年代から始まったばかりです。それ以来、この形態の電力は、産業機器の操作の標準になりました。今日、油圧システムは現代の自動化技術において非常に重要な位置を占めています。多くの理由があります。これらのいくつかは、油圧システムが動力の伝達のために用途が広く、効率的で、単純であるということです。

動力の伝達は、動力をある形式から別の形式に変えるため、油圧システムの仕事です。油圧システムでは、流体によって加えられる力が機械機構に伝達されます。油圧システムがどのように動作するかを理解するには、油圧の原理を理解する必要があります。油圧は、パイプやシリンダー内の運動中の液体と圧力の研究です。

水理学は、（i）流体力学と（ii）静水力学の2つの分野に分けることができます。流体力学は動く液体を扱います。流体力学のアプリケーションの例は、水車またはタービンです。使用されるエネルギーは、モーションまたは水とトルクコンバーターによって生成されるエネルギーです。静水圧は、圧力下の液体を扱います。静水圧のアプリケーションの例は、油圧ジャッキまたは油圧プレスと油圧シリンダーの作動です。静水圧装置では、閉じ込められた（閉じ込められた）液体を押すと電力が伝達されます。液体がシステム内を移動または流れる場合、そのシステム内での移動が発生します。現在使用されている油圧ベースの機器のほとんどは、静水圧で動作します。

力、運動、および信号を生成するための制御技術のコンテキストで最も一般的に使用される3つの技術は、油圧、電気、および空気圧です。他の技術に対する油圧の利点を以下に示します。

• 小さなコンポーネントを使用した大きな力の伝達は、大きな力の強さを意味します
• 正確なポジショニング
• 油圧システムは、空気圧または機械式駆動システムでは困難な一貫した出力を提供します
• 高負荷での起動が可能です
• 液体はほとんど圧縮できず、流量制御バルブを使用できるため、負荷に関係なく移動することもできます。
• スムーズな操作と反転
• 適切な管理と規制
• 好ましい熱放散
• 油圧システムでは、空気圧システムに比べて漏れの可能性が低くなります
• 設置の容易さ、検査の簡素化、および最小限のメンテナンス要件
• 油圧システムは非圧縮性流体を使用しているため、効率が高くなります。流体摩擦による損失はごくわずかです
• システムは高温環境条件で良好に機能します。

油圧システムの欠点には、（i）廃油による環境の汚染（火災や事故の危険性）、（ii）汚れへの敏感さ、（iii）過度の圧力（切断されたライン）による危険性、（iv）温度への依存などがあります。 （粘度の変化）。

固定油圧システムと移動油圧システムには基本的な違いがあります。移動式油圧システムが車輪またはトラック上を移動する間、固定式油圧システムは1つの位置にしっかりと固定されたままになります。移動式油圧システムの特徴は、バルブが頻繁に手動で操作されることです。固定油圧システムの場合、通常はソレノイドバルブが使用されます。

移動式油圧システムの典型的なアプリケーション分野には、（i）建設機械、（ii）ティッパー、掘削機、昇降プラットフォーム、（iii）吊り上げおよび運搬装置、および（iv）ヤードマテリアルハンドリング装置が含まれます。固定油圧システムの主な用途分野は、（i）すべてのタイプの生産および組立機、（ii）移送ライン、（iii）リフトおよび搬送装置、（iv）圧延機、（v）プレス、（vi）リフトです。 、および（vii）射出成形機など。機械工具は典型的なアプリケーション分野です。

17世紀、ブレーズパスカルというフランスの科学者が、水理学の基礎となる基本法則を策定しました。パスカルの法則は、「閉じ込められた液体に加えられた圧力は、すべての方向に減少することなく伝達され、すべての等しい領域に等しい力で、それらの領域に直角に作用する」と述べています。この原理は、閉じ込められた流体の法則としても知られています。パスカルは、彼の法則の実際の使用法を示し、小さな領域に小さな入力力を加えると、出力領域を拡大することによって大きな力をもたらすことができることを示しました。この圧力をより大きな出力領域に加えると、より大きな力が発生します。力を掛ける方法です。

力を増やすことは、動力を伝達するために油圧作動油を使用することの唯一の利点です。さらに、力は直線的に（直線的に）伝達される必要はありません。力は、増幅されている間、角を曲がって、または他の非線形の方法で伝達される可能性があります。流体動力は、真に柔軟な動力伝達の概念です。実際、流体動力は、本質的に静止した回転源から、アクチュエータと呼ばれる遠隔位置にある回転（円形）または線形（直線）の力増幅装置への動力の伝達です。流体力は、ある種の位置エネルギーをアクティブな機械的形態（線形または回転力と力）に変換する変換プロセスの一部と見なすこともできます。基本エネルギーが流体力に変換されると、以下に示すような他の利点があります。

• 力は、方向を変えたり、逆にしたりすることで簡単に変更できます。
• 負荷を操作する機器を停止させながら、原動機が過負荷になり、機器のコンポーネントに過度のストレスがかかるのを防ぐ保護装置を追加できます。
• 機器のさまざまなコンポーネントの速度は、互いに独立して、また原動機の速度とは無関係に制御できます。

油圧作動油

油圧システムの流体は、主に、作動するさまざまなユニットに力を伝達および分散するために使用されます。液体はほとんど非圧縮性であるため、これを行うことができます。水は低温で凍結し、100℃で沸騰するため、また腐食や錆を引き起こし、潤滑性がほとんどないため、油圧作動油としては不適切です。ほとんどの油圧システムは、圧縮できず、システムを潤滑するため、オイル（油圧作動油）を使用します。油圧システムでは、作業や作業環境に応じてさまざまな理由で多くの種類の流体が使用されますが、すべて次の基本機能を実行します。

• 流体は、力と動力を導管（またはライン）を介してアクチュエーターに伝達するために使用され、そこで作業を行うことができます。
• 流体は、回路で使用される油圧コンポーネントの潤滑媒体です。
• 流体は冷却媒体であり、油圧回路またはコンポーネントの「ホットスポット」から熱を運び去り、他の場所に放出します。
• 流体はコンポーネントの可動部分間の隙間を密閉して、効率を高め、過剰な漏れによって発生する熱を減らします。

特定のシステムに適した油圧作動油として液体を選択する際に考慮しなければならない特性と特性のいくつかを以下に示します。

• 粘度–油圧作動油の最も重要な特性の1つです。流れに対する内部抵抗です。温度が下がると粘度が上がります。特定の油圧システムに十分な流体は、ポンプ、バルブ、およびピストンで良好なシールを提供するのに十分なボディを備えている必要がありますが、流れに対する抵抗を提供し、電力損失とより高い動作温度につながるほど厚くてはなりません。これらの要因は、負荷と部品の過度の摩耗を増加させます。液体が薄すぎると、可動部品や負荷の高い部品が急速に摩耗します。
• 化学的安定性–化学的安定性は、油圧作動油を選択する際に非常に重要な特性です。それは、長期間にわたって酸化と劣化に耐える流体の能力です。すべての液体は、過酷な操作条件下で好ましくない化学変化を起こす傾向があります。これは、たとえば、システムが高温でかなりの期間動作する場合に当てはまります。過度の温度は、流体の寿命に大きな影響を及ぼします。通常、作動中の油圧システムのリザーバー内の流体の温度は、必ずしも作動状態の真の状態を表すとは限りません。局所的なホットスポットは、ベアリング、歯車の歯、または圧力下の流体が小さなオリフィスを通って押し出されるポイントで発生します。これらのポイントを流体が継続的に通過すると、流体を炭化またはスラッジするのに十分な高温が発生する可能性がありますが、リザーバー内の流体は過度に高い温度を示していない可能性があります。
• 引火点–引火点は、流体が瞬間的に発火するか、炎が当たったときに引火するのに十分な量の蒸気を放出する温度です。作動油には高い引火点が望ましいです。これは、常温での燃焼に対する優れた耐性と低い蒸発度を示しているためです。
• ファイアポイント–ファイアポイントは、火花や炎にさらされたときに、流体が発火して燃焼し続けるのに十分な量の蒸気を放出する温度です。引火点と同様に、望ましい油圧作動油には高い引火点が必要です。

油圧システムの適切な動作を保証し、油圧システムの非金属部品への損傷を回避するために、正しい液体を使用する必要があります。油圧作動油の3つの主要なカテゴリは、（i）鉱油、（ii）ポリアルファオレフィン、および（iii）リン酸エステルです。

鉱油ベースの油圧作動油は、火災の危険性が比較的低い多くの油圧システムで使用されています。それらは石油から処理されます。合成ゴム製シールは、石油ベースの液体で使用されます。ポリアルファオレフィンベースの油圧作動油は、鉱油ベースの油圧作動油の可燃性特性を克服するための耐火性水素化流体です。耐炎性は大幅に向上しますが、低温での粘度が高いという欠点があります。この作動油の使用は一般に–40℃に制限されています。リン酸エステルベースの油圧作動油は非常に耐火性があります。ただし、耐火性はなく、特定の条件下では燃焼します。組成の違いにより、石油ベースの液体とリン酸エステルベースの液体は混合しません。また、1つの液体のシールは、他の液体と一緒に使用したり、他の液体に耐性を持たせたりすることはできません。

油圧システムでは、油圧作動油と互換性のある特別なアクセサリを使用する必要があります。適切なシール、ガスケット、およびホースは、使用する液体のタイプに合わせて特別に指定する必要があります。システムに取り付けられているコンポーネントが油圧作動油と互換性があることを確認するように注意する必要があります。

油圧システム

油圧システムは、オープンセンターシステムまたはクローズドセンターシステムにすることができます。オープンセンターシステムとは、流体の流れがあるシステムですが、作動メカニズムがアイドル状態のときはシステム内に圧力がかかりません。ポンプは、リザーバーからセレクターバルブを通り、リザーバーに戻る流体を循環させます。オープンセンターシステムは、サブシステムごとにセレクターバルブを備えた、任意の数のサブシステムを使用できます。オープンセンターシステムのセレクターバルブは、常に互いに直列に接続されています。この配置では、システム圧力ラインは各セレクターバルブを通ります。流体は、セレクターバルブの1つがメカニズムを操作するように配置されるまで、常に各セレクターバルブを自由に通過してリザーバーに戻ることができます。セレクターバルブの1つが作動装置を操作するように配置されると、流体はポンプから作業ラインの1つを通ってアクチュエーターに送られます。セレクターバルブがこの位置にあると、バルブからリザーバーへの流体の流れが遮断されます。圧力がシステム内に蓄積して抵抗に打ち勝ち、作動シリンダーのピストンを動かします。アクチュエータの反対側の端からの流体はセレクターバルブに戻り、リザーバーに戻ります。コンポーネントの作動後のシステムの動作は、使用されているセレクターバルブのタイプによって異なります。

クローズドセンターシステムでは、パワーポンプが作動しているときは常に流体に圧力がかかっています。多数のアクチュエータが並列に配置されており、多数の作動ユニットが同時に作動していますが、他のいくつかの作動ユニットは作動していません。このシステムは、セレクターまたは方向制御バルブが直列ではなく並列に配置されているという点で、オープンセンターシステムとは異なります。ポンプ圧力を制御する手段は、クローズドセンターシステムによって異なります。コンスタントデリバリーポンプを使用する場合、システム圧力は圧力レギュレーターによって調整されます。リリーフバルブは、レギュレーターが故障した場合のバックアップ安全装置として機能します。可変容量形ポンプを使用する場合、システム圧力はポンプの一体型圧力機構補償器によって制御されます。コンペンセータは自動的に音量出力を変化させます。圧力が通常のシステム圧力に近づくと、補償器はポンプの流量出力を減らし始めます。通常のシステム圧力に達すると、ポンプは完全に補償されます（ゼロフローに近い）。ポンプがこの完全に補償された状態にあるとき、その内部バイパスメカニズムは、冷却と潤滑のためにポンプを通る流体循環を提供します。安全バックアップとして逃し弁がシステムに取り付けられています。

クローズドセンターシステムに対するオープンセンターシステムの利点は、システムの継続的な加圧が排除されることです。セレクターバルブが作動位置に移動した後、圧力が徐々に上昇するため、圧力サージによる衝撃はほとんどありません。このアクションにより、作動メカニズムのよりスムーズな操作が可能になります。セレクターバルブが配置された瞬間に圧力が利用できるクローズドセンターシステムよりも動作が遅くなります。

油圧システムの基本コンポーネント

その機能と設計に関係なく、油圧システムには、流体が伝達される手段に加えて、最小限の数の基本コンポーネントがあります。基本的なシステムは、油圧ポンプ、油圧作動油のリザーバー、方向弁、逆止弁、圧力解放弁、セレクター弁、アクチュエーター、およびフィルターで構成されています。基本的な油圧システムを図1に示します。

図1基本的な油圧システム

油圧リザーバーは、システムに供給するために必要な液体を保持するための容器であり、わずかな漏れや蒸発による損失をカバーするための予備が含まれます。リザーバーは通常、流体の膨張のためのスペースを提供し、流体に同伴された空気を逃がし、流体を冷却するのに役立つように設計されています。油圧リザーバーは、大気に放出されるか、大気に閉じられて加圧されます。流体はリザーバーからポンプに流れ、そこでシステムを強制的に通過し、最終的にリザーバーに戻ります。リザーバーは、システムの操作ニーズを提供するだけでなく、漏れによって失われた液体を補充します。さらに、リザーバーは、熱膨張（温度変化によって引き起こされる流体量の増加）、アキュムレーター、およびピストンとロッドの変位によってシステムから押し出される過剰な流体のオーバーフローベイスンとして機能します。リザーバーはまた、システムに入る可能性のある気泡を流体がそれ自体をパージするための場所を提供します。システム内で拾われた異物は、リザーバー内の液体から、またはラインフィルターを通って流れるときにも分離される可能性があります。リザーバーは加圧または非加圧のいずれかです。バッフルおよび/またはフィンは、ほとんどのリザーバーに組み込まれており、リザーバー内の流体がボルテックス（旋回）やサージなどのランダムな動きをしないようにします。これらの条件により、液体が泡立ち、空気が液体とともにポンプに流入する可能性があります。

油圧コンポーネントが正しく機能するために、液体は可能な限り清潔に保つ必要があります。作動油の汚染は、油圧システムのトラブルの一般的な原因の1つです。

バルブ、ポンプ、およびその他のコンポーネントの通常の摩耗による異物や小さな金属粒子は、通常、油圧システムに入ります。ストレーナー、フィルター、および磁気プラグは、油圧作動油から異物を除去するために使用され、汚染に対する保護として効果的です。リザーバー内にある磁気プラグは、液体から鉄または鋼の粒子を除去するために使用されます。ストレーナは、油圧作動油から異物の大きな粒子を除去する主要なろ過システムです。そのスクリーニング作用はフィルターほど良くはありませんが、ストレーナーは流れに対する抵抗が少なくなります。ストレーナーは、圧力降下を最小限に抑える必要がある入口ラインをポンプするために使用されます。フィルターは、油圧作動油から小さな異物を取り除き、汚染物質に対する保護手段として最も効果的です。フィルターは、リザーバー、圧力ライン、リターンライン、または必要に応じてその他の場所に配置されます。それらは、フルフローまたは比例フローとして分類されます。本体のバイパス逃し弁により、液体がフィルターエレメントをバイパスし、エレメントが詰まったときに出口ポートを直接通過することができます。バイパス逃し弁がないフィルターには、汚染インジケーターがあります。このインジケーターは、流体がフィルターに入るときとエレメントから出るときの流体の圧力差の原理に基づいて機能します。

アキュムレータは蓄電池のようなものです。油圧アキュムレータは、潜在的な電力、この場合は将来有用な仕事に変換するための圧力下の油圧作動油を貯蔵します。この作業には、シリンダーと流体モーターの操作、ポンプまたは電源障害の場合に必要なシステム圧力の維持、および漏れによる圧力損失の補償が含まれます。アキュムレータは、液体ディスペンサーおよび液体バリアとして使用でき、衝撃吸収（クッション）作用を提供できます。アキュムレータは、スプリング式、バッグタイプ、またはピストンタイプにすることができます。

油圧ポンプは、原動機（電気モーター）からの機械的エネルギーを油圧（圧力）エネルギーに変換します。次に、圧力エネルギーを使用してアクチュエータを操作します。ポンプは作動油を押して流れを作ります。ポンプと駆動のモーターユニットを組み合わせたものは、油圧ポンプとして知られています。油圧ポンプは、貯蔵タンクから油圧作動油を取り出し、それを残りの油圧回路に送ります。一般に、ポンプの速度は一定であり、ポンプは各回転で等量の流体を供給します。流体の流れの量と方向は、いくつかの外部メカニズムによって制御されます。油圧ポンプ自体はサーボ制御モーターで作動する場合もありますが、システムが複雑になります。油圧ポンプは、その流量容量、消費電力、駆動速度、出口に供給される圧力、およびポンプの効率によって特徴付けられます。ポンプは100％効率的ではありません。ポンプの効率は2つの方法で指定できます。 1つは、可能な最大理論体積に対する実際に供給される流体の体積の比率である体積効率です。 2つ目は、出力水力と入力機械/電力の比率である電力効率です。ポンプの一般的な効率は90％から98％まで変化します。油圧ポンプは、一般的に（i）遠心ポンプと（ii）往復ポンプの2種類があります。

油圧アクチュエータは圧力エネルギーを受け取り、それを機械的な力と動きに変換します。アクチュエータは線形または回転式にすることができます。リニアアクチュエータは、力と運動の出力を直線で提供します。より一般的にはシリンダーと呼ばれますが、ラム、往復モーター、またはリニアモーターとも呼ばれます。ロータリーアクチュエータは、トルクと回転運動を生成します。より一般的には油圧モーターまたはモーターと呼ばれます。

圧力調整は、高いソース圧力をアプリケーションに適した低い使用圧力に下げるプロセスです。これは、出口圧力を許容範囲内に維持するための試みです。圧力調整は、圧力調整器を使用して実行されます。圧力調整器の主な機能は、流体の流れを需要に合わせることにあります。同時に、レギュレーターは出口圧力を特定の許容範囲内に維持する必要があります

バルブは、アクチュエータの動作を制御するために油圧システムで使用されます。バルブは、特別な圧力条件を作成し、回路の一部を流れる流体の量とその行き先を制御することにより、圧力を調整します。油圧バルブの3つのカテゴリは、圧力制御、流量（体積）制御、および方向制御です。一部のバルブには複数の機能があり、複数のカテゴリに分類されます。バルブは、そのサイズ、圧力能力、および圧力降下/流量によって評価されます。

油圧システムの3つの一般的なタイプのパイプラインは、パイプ、チューブ、およびフレキシブルホースであり、これらはリジッド、セミリジッド、およびフレキシブルラインとも呼ばれます。油圧ラインに使用される2種類のチューブは、シームレスで電気溶接されています。どちらも油圧システムに適しています。流れ、流体の種類、流体の速度、およびシステム圧力を知ることは、使用する必要のあるチューブの種類を決定するのに役立ちます。柔軟性が必要な場合はホースを使用します。

継手は、循環システムの個々のセクションを含む油圧システムのユニットを接続するために使用されます。油圧システムには、さまざまなタイプのコネクタが用意されています。使用するタイプは、循環システムのタイプ（パイプ、チューブ、またはフレキシブルホース）、流体媒体、およびシステムの最大動作圧力によって異なります。最も一般的なタイプのコネクタには、ねじ山コネクタ、フレアコネクタ、フレキシブルホースカップリング、および再利用可能な継手があります。

油圧回路図

油圧回路図は、油圧回路の完全な図面です。図には、説明、一連の操作、メモ、およびコンポーネントリストが含まれています。正確な図は、設計者、機械を製造する人々、および油圧システムを保守する人々にとって不可欠です。油圧回路図には4つのタイプがあります。それらは、ブロック、カッタウェイ、絵画、およびグラフィカルです。これらの図は、（i）コンポーネントとそれらがどのように相互作用するか、（ii）コンポーネントを接続する方法、（iii）システムがどのように機能し、各コンポーネントが何をしているのかを示しています。

ブロック図は、接続や相互作用を示す、ブロック間に線が引かれたコンポーネントを示しています。断面図は、コンポーネントの内部構造と流路を示しています。この図では、線や通路に色、色合い、またはさまざまなパターンが使用されているため、さまざまな流れや圧力の状態を示すことができます。絵図は、回路の配管配置を示しています。コンポーネントは外部から見て、通常は実際の形状とサイズを忠実に再現しています。グラフィカルな図は業界の略称であり、通常、設計とトラブルシューティングに適しています。単純な幾何学的記号は、コンポーネントとそのコントロールおよび接続を表します。油圧回路の典型的な図を図2に示します。

図2油圧回路の一般的な図図