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油圧装置の構成と作動の仕組み

油圧装置は、次の装置によって構成されています。

油圧装置の構成
油圧発生装置 油圧ポンプ ねじポンプ
歯車ポンプ
ベーンポンプ
プランジャポンプ
油圧駆動装置 油圧シリンダ 単動形
複動形
特殊形
油圧モータ 歯車モータ
ベーンモータ
プランジャモータ
油圧制御装置 圧力制御弁 リリーフ弁
減圧弁
シーケンス弁
カウンタバランス弁
アンロード弁
流量制御弁 絞り弁
方向制御弁 パイロットチェック弁
逆止め弁
方向切換弁
付属機器 作動油タンク・圧力計
配管類 管・継手・シール

油圧装置の長所
1.小型で単純構造の装置にできる。
2.力の大きさ・速度・方向を容易に変えられる。
3.無段変速や遠隔操作を行なうことができる。
4.装置の破壊を防げる。
5.配管や作動油の分流が自由にできる。
油圧装置の短所
1.配管が面倒である。
2.作動油は油漏れが生じやすく、ごみやさびに弱い。
3.作動油は温度によって機械効率が変。

油圧発生装置(油圧ポンプ)

1. 歯車ポンプ(ギヤポンプ) gear pump
歯車ポンプは、ギヤケース内で二つの歯車が噛合って回転します。その回転による吸引力で、油を吸込口から取込んで吐出口へ吐出す単純な構造により、故障が少なく、小型軽量で比較的安価なため、広く使われています。ただし、あまり高圧なものや大容量のものは製作できず、騒音や振動を発生することがあります。歯車ポンプには、歯車の噛み合いの形式が違う内接式と外接式があります。移動式クレーンには外接式の歯車ポンプが使われています。

歯車ポンプ(外接式ギヤポンプ)
 
歯車ポンプ(内接式ギヤポンプ)  

2. ベーンポンプ vane pump
ベーンポンプは、ロータに10数個のすり割を設け、それに対してベーンが直角に取付けられています。駆動軸の回転によってベーンが駆動し、ロータが半回転するごとに吸込口側の油が吐出口へ運ばれます。ベーンポンプには1回転当りの吐出量が一定の定容量形と、吐出量を変えられる可変容量形があります。可変容量形は偏心量を調整する機構を組込み、1回転当たりの吐出量を変化させます。

 
 

3. プランジャポンプ(ピストンポンプ)
プランジャポンプは、駆動軸の回転でシリンダ内のプランジャ(ピストン)を往復運動させ、油の吸込みと吐出しを行なう構造で、プランジャの配列の違いにより、ラジアル形とアキシャル形に分類されます。ラジアル形及びアキシャル形には、シリンダブロックが軸と共に回転する構造の回転シリンダ形と、シリンダブロックは回転しない固定シリンダ形あります。移動式クレーンには、シリンダとプランジャのしゅう動部が長く、油漏れが少ないアキシャル形プランジャポンプが多く使用されています。

プランジャポンプの長所と短所
長所 大容量の脈動の少ない圧油が得らる。
ポンプ効率が良く、20~30N/mm2の高圧が容易に得られる。
可変容量形のポンプは、吐出量を加減することができるため、
絞り弁、流量調節弁を使用して流量を加減する必要がない。
短所 構造が複雑で、部品が多い。

プランジャポンプ ラジアル形
アキシャル形 斜板形 固定斜板式
回転斜板式
斜軸式(コネクチングロッド式)


【1】ラジアル形
ラジアル形は、駆動軸に対して放射線状に配したプランジャ(ピストン)が、シリンダブロックに挿入されています。駆動軸の回転によるプランジャの往復運動に伴い、ポンプ作用が行なわれます。

【2】アキシャル形
アキシャル形は、プランジャがシリンダブロックの中心線と平行に往復運動をする形式のポンプで、斜板はカムの働きをします。プランジャと斜板(カムプレート)とが、ある角度をなしていて、駆動軸が回転すると、斜板がプランジャに近づいたり遠ざかったりします。その結果、プランジャが往復運動をして、ポンプとして作動します。

1.固定斜板式
駆動軸と一体となったシリンダブロックが回転し、プランジャが固定斜板によって往復運動してポンプ作用が行なわれます。

2.回転斜板式
駆動軸と一体となった斜板を回転させることでプランジャがカムプレートに近づいたり遠ざかったりします。この往復運動により、ポンプ作用が行なわれます。

3.斜軸式(コネクチングロッド式)
駆動軸に対して傾斜したシリンダブロックが駆動軸と共に回転することでピストンがシリンダ穴に対して往復運動し、ポンプ作用が行なわれます。

弁板

油圧駆動装置

油圧駆動装置は油圧ポンプから送り出された油圧を機械的な動力に変える装置で直線運動を行なう油圧シリンダと回転運動を行なう油圧モータがあります。

1. 油圧シリンダ
油圧シリンダは油圧によってシリンダを往復運動させる装置で、単動形、複動形、特殊形があります。移動式クレーンには一般に複動形片ロッド式が使用され、ジブの起伏、ジブの伸縮、アウトリガ等に用いられています。

(1)単動形
作動油の出入口がシリンダの一方にしかなく、シリンダは圧油で伸ばし、縮める時にはジブの自重又はスプリングの力等を利用します。


(2)複動形
シリンダの両側に作動油の出入口があり、方向切換弁によって圧油の流れる方向を変えて伸縮させます。


(3)特殊形(テレスコピック形)
シリンダの内部に別のシリンダを有し、圧油によって順次シリンダが伸びる構造です。

2. 油圧モータ
油圧モータには歯車モータ、ベーンモータ、プランジャモータがあります。油圧モータの構造は油圧ポンプとほとんど同じで、相違点は作動の方法です。
油圧ポンプは原動機の動力で駆動軸を回転させますが、油圧モータは油圧によって駆動軸を回転させます。つまり、作動油の流体エネルギーをトルクに変えます。移動式クレーンの巻上げ、旋回に使用される油圧モータには一般にプランジャモータが使用されています。プランジャモータはプランジャポンプと同様、アキシャル形とラジアル形に分類されます。アキシャル形プランジャモータは回転軸と同一方向にプランジャが配列され、油圧によってプランジャを往復運動させ駆動軸を回転させます。ラジアル形プランジャモータは回転軸に対して放射状に配列されたプランジャの往復運動を駆動軸に伝えて回転運動に変えます。

ラジアル形プランジャモータ    
   
斜軸形プランジャモータ    

油圧制御装置

油圧制御弁には圧力制御弁、流量制御弁、方向制御弁があり、油圧回路の多くの箇所に使用されています。

1. 圧力制御弁
(1)リリーフ弁(安全弁)
リリーフ弁は、油圧が設定以上の圧力に上昇するのを防止する制御弁で、油圧回路を保護しています。移動式クレーンの油圧回路には必ずリリーフ弁が使用されています。

設定圧は、弁に取付けられている調整ねじでスプールを押付けているスプリングの力を調整して行ないます。油圧が設定圧あるいは、それ以下の時にはスプリングで押付けられているスプールが弁の入口からタンク側への油路を閉じています。
油圧が設定圧を超えると、スプリングの力よりも強い油圧の力によってスプールが上に押し上げられ、弁の入口からタンク側への油路が開き、圧油の一部がタンクへ流れ、圧力が過度に上昇するのを防ぎます。

(2)減圧弁
油圧回路の油圧より低い油圧で使用する必要がある場合、減圧弁を用いて減圧します。移動式クレーンでは、巻上ウインチのクラッチ回路に使用されています。

スプールは、スプリングの力で下方に押付けられ、一次側(高圧側)の圧油は減圧されて二次側に常時流れ、その一部はスプール孔を通って圧力調整のニードル弁に作用しています。二次側の圧力が設定圧を超えようとすると、ニードル弁が押されて、ドレン口から圧油がタンクへ流れ出ます。その結果スプールは、上に押し上げられ、二次側出口の開きを小さくして減圧が行なわれます。これにより、一次側回路の圧力が変化しても、減圧出口である二次側は一定の圧力を得られ、一次側の圧力が設定圧力よりも低い場合は二次側からの逆流を防ぐことができます。

(3) シーケンス弁
シーケンスとは、あらかじめ定められた順序に従って各段階ごとに制御するという意味です。シーケンス弁は、別々に作動する二つの油圧シリンダの一方の作動が終了したら、もう一方の油圧シリンダを作動させる場合に用います。移動式クレーンでは、ジブの伸縮回路で作動順序を制御するために使用されています。

一次側の油圧が設定圧又はそれ以下の時には、スプールが押し下げられた状態で二次側への油路を閉じています。一次側の油圧が設定圧を超えるとスプールが上に押し上げられて二次側の出口が開きます。なお、シーケンス弁には、スプールを上に押し上げようとする力(パイロット圧)を外部から取る構造のものがあります。

(4)カウンタバランス弁
カウンタバランス弁は、一方向の流れに設定した背圧(流量制限)を与え、逆方向の流れを自由に流れさせる弁で、降下速度を一定に保つために用いられます。移動式クレーンでは、ジブの起伏、伸縮、巻上等の回路に使用され、下げ方向への操作を行なう時に、自重や荷重によってジブが急降下することを防止します。

ジブ起伏シリンダが下降する場合、起伏シリンダに掛かる荷重が大きいと、下降速度の制御ができなくなります。カウンタバランス弁の一次側をシリンダの油の戻り側につないで戻り油圧を与えて、スプールの押上量を加減することにより、二次側出口への油量を制御し、シリンダの下降速度を一定に保ちます。シリンダを上昇させる場合、圧油は逆止め弁を通って流れます。カウンタバランス弁には、パイロット圧を外部から取り、遠隔操作のできる構造のものがあります。

(5)アンロード弁
アンロード弁は、アキュムレータと併用して用いられることが多く、回路の油圧が規定圧力に達した時、ポンプを無負荷運転(アンロード)させるために、弁が作動し、この圧力を低下させずにポンプの吐出す流量をそのままタンクに戻すために使用されます。

油圧ポンプからの油圧は逆止め弁を通ってアキュムレータに送り込まれ圧力が上昇します。パイロットポペットが閉じている時のパイロットピストンはP1=P2又はP3<P2であるためパイロットポペットから離れていますが、P2がリリーフ弁の設定圧力まで上昇するとピストンが上方に移動しシートが開いて圧力ポートとタンクポートが通じます。これによりP1又はP2が圧力降下し、逆止め弁が閉じると共にパイロットピストンがパイロットポペットを押し上げます。回路圧力が設定圧力の約80%まで低下するとパイロットポペットが閉じ、ポンプが負荷運転をして圧油が自動的にアキュムレータに送り込まれます。

2. 流量制御弁
絞り弁(ストップ弁)
絞り弁は流量調整ハンドルの操作で流路の開きの大きさを変え、流量を調整します。絞り弁はストップ弁あるいは可変絞り弁とも呼ばれ、移動式クレーンでは管路の損傷や交換等での作動油の流失の防止や作動油タンクの油抜き等で流路の流れを止めることを目的として使用されています。

絞り弁は、調整ねじを締めることで油圧の流れを調整します。

3. 方向制御弁
(1)パイロットチェック弁
パイロット圧(油圧)をチェックし、ある条件下において逆方向に油を流せるようにしたものです。移動式クレーンでは、アウトリガ回路破損時の垂直シリンダの縮小防止に使用されています。アウトリガの使用中に配管が破損した場合、圧油が放出されてアウトリガが縮小する事態が発生します。パイロットチェック弁は、これを防止するために圧油の入口側と出口側との圧力差を取り、回路の圧油の差が大きくなると、縮小側の回路を閉じてシリンダの縮小を停止させます。

(2)逆止め弁
圧油が所定の圧力に達すると、スプールを押して一次側から二次側へ油を自由に通過させますが、二次側から一次側への流れを完全に阻止する働きがあります。移動式クレーンでは、単独あるいは他の弁に組み込まれて使用されています。

(3)方向切換弁
方向切換弁は、圧油の流れる方向を切換える弁で、油圧シリンダの運動する方向や油圧モータの回転を切換えます。方向切換弁には、回転形と直線形があり、切換弁のポート数(接続口の数)と作動位置の数によって分類されます。操作方式には、人力式、機械式、油圧パイロット式、電磁式等があり、移動式クレーンには、直線形4ポート3位置切換弁がアウトリガの張り出しに使用されています。直線形4ポート3位置切換弁には、クローズドセンタ形とセンタバイパス形があります。クローズドセンタ形の方向切換弁の場合、スプールが中立位置の時には、A・B・P・Tすべてのポートがふさがれています。センタバイパス形の場合はスプールが中立位置の時はA、Bのポートはふさがれていますが、PT間はつながっています。


回転形方向切換弁

A.B: ポート
P: ポンプからのポート
T: タンクにつながるポート

クロズトセンター形 センターバイパス形 センターバイパス形

付属機器

1. 作動油タンク
作動油タンクは作動油を貯蔵し、油圧回路に供給する容器で、エアブリーザ、油面計、フィルタ等の付属品が取付けられています。タンクには、エアブリーザ以外に空気の出入りができないように、接合面をパッキン、ガスケット等で気密性を高めています。また、吸入フィルタと戻しパイプが接近していると、戻ってきた作動油がタンク内を循環せずに吸込まれるため、タンク内に隔板を設けています。

(1)油面計
作動油タンク内の作動油の量が適正であるかを点検するために、タンク側面に取付けられています。油量の点検は、移動式クレーンを走行状態(全縮状態)にして確認します。作動油の油面が、油面計の上限(H)と下限(L)との間にあれば適正です。

(2)フィルタ
フィルタは、油圧回路を流れる作動油に含まれる金属粉等の異物をろ過して取り除き油圧装置を保護するもので、ポンプ吸込側に取付ける吸込用フィルタとポンプ吐出側に取付けるラインフィルタ(管路用フィルタ)があります。吸込用フィルタエレメントには、目の細かい金網を用いた金網式、ステンレスやメタルを円筒に巻きつけたノッチワイヤ式、マグネットを内蔵して金属粉を吸着させる方式があります。ラインフィルタのエレメントには、ろ過紙、ノッチワイヤ、焼結合金等が用いられています。フィルタは定期的に点検し、エレメントの交換又は洗浄を行ないます。

(3)エアブリーザ
エアブリーザは作動油タンク上部に取付け、タンク内の油面の上下に伴ってタンクに進入する空気をろ過し、作動油にゴミ等が入らないようにしています。また、作動油の給油口としても使用します。エアブリーザのエレメントやキャップが目づまりを起こすと空気がスムーズに出入りせず、タンク内に異常な圧力が発生し、作動油タンクが損傷する恐れがあります。つまり、ペットボトルの空気を抜いていくと容器が潰れるのと同じ現象が作動油タンクやタンクに繋がっている油圧ホース等に現れます。ろ過機能の維持及びタンク等の損傷防止のためには、エレメントやキャップの洗浄又は交換を定期的に行ないます。

2. オイルクーラー
作動油は、油温が55~60℃以上になると粘度が低下し、ポンプ効率の低下や油の劣化等の様々な障害を招きます。オイルクーラーは、回路を流れて上昇した油温を強制的に冷却する装置です。

3. 圧力計
圧力計は、油圧回路内の圧力が設定圧であるかどうかを計る装置で、一般的にブルドン管式圧力計が広く用いられています。

4. アキュムレータ
アキュムレータは、気体が油圧によって圧縮される性質を利用しています。密閉されたシェル内を、ゴム袋でできた窒素ガスを封入した室と油室に分け、窒素ガスの圧縮比で圧油の貯蔵を行ないます。アキュムレータは、必要に応じて作動油に生じる衝撃圧(油撃)を吸収して圧油の脈動を減衰させたり、油圧ポンプ停止時の油圧源として働きます。アキュムレータには、設定圧に達した時、油圧ポンプの圧油をそのまま油圧タンクに逃がしてエンジンの負荷を軽減するアンロード弁が使用されています。

配管類

1. 管
配管は油圧装置へ作動油を流す流路の働きがあります。管には鋼管、ステンレス鋼管、高圧用ゴムホース等の種類があり、一般には鋼管や高圧用ゴムホースが使用されます。ステンレス鋼管は管の厚さを薄くしたり、質量の制限がある場合に用いられます。高圧用ゴムホースはゴムの特質である柔軟性を生かし、鋼管での配管が難しい場所や移動する装置への接続に用いられます。配管類はホースの接触による擦れ、ねじれ、変形、傷の有無について注意し、接続部のゆるみや油漏れがないかをチェックします。配管を取外した時は、配管内の空気を十分に抜いてポンプの焼付きを起こさないようにします。

2. 継手
継手には、ねじ継手、フランジ管継手、フレア管継手、フレアレス管継手、回転継手等があります。

(1) ねじ継手
ねじ継手は、ねじを切っている部分をねじ込んでシール(密封)します。

(2)フレア管継手
フレア管継手のフレアとは、広げた部分という意味があります。フレア管継手は、管の先端をラッパ状に広げたフレア部を、継手本体のナット側テーパ部にねじで締め、押付けてシールします。

(3)フレアレス管継手(くい込み継手)
フレアレス管継手は、管に取付けたスリーブをナットで締め上げ、その先端を管にリング状にくい込ませてシールします。

フレア管継手 フレアレス管継手

(4)回転継手(ロータリジョイント)
ロータリジョイントは、上部旋回体の旋回によって油圧の配管がねじれないように用いるもので、旋回支持体中央部に取付けます。ロータリジョイントのボディは、上部旋回体と一緒に回転し、スピンドルはキャリヤに据付けられています。スピンドルには、円周上に配管の数だけ溝が切ってあり、作動油を供給することができます。その他に、クラッチ装置のクラッチ回路等にも使用されています。


3. シール
シールは、油圧機器の油漏れ、ゴミや水分等の浸入を防止するために用いられます。種類としては、パッキン、Oリング、オイルシール、ガスケット、シールテープ等があります。シールの老化や取付部のゆるみは、シールを破損させて、作動油の漏れ、圧力低下、作動の不確実を起こす原因になるので、不良の場合は交換する必要があります。

(1)パッキン
パッキンは、綿布や石綿織布にゴムを含ませて成形したものや、合成ゴム又は皮を成形したものがあり、断面の形状は、V形、U形、L形等があります。

(2)Oリング
Oリングは、合成ゴムを成形したもので、リング状ものが広く用いられています。なお、Oリングは、しゅう動部分に使用されていますが、中速回転以上には適してません。

(3)オイルシール
オイルシールは、合成ゴムを成形したもので、断面はコの字形です。回転部分やしゅう動部分に用いられています。

(4)ガスケット
ガスケットは、板状のシールで、石綿、合成ゴム、金属等、様々なものがあります。

(5)シールテープ
シールテープは、テープ状のシールで、油漏れする箇所に巻付けて用います。テープを巻く方向は、右ねじの場合は右巻きで巻付けます。

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