建設現場、農場、または鉱山作業の隣に立って、重機が音を立てて動き出すのを見たことがある人なら、アキシャルピストンポンプが静かに重労働をこなしているのを見たことがあるでしょう。これらのポンプは、オフロード機械のほとんどの油圧システムの心臓部であり、突然の激しい衝撃に耐える能力は交渉の余地がありません。アキシャル ピストン ポンプを専門とするサプライヤーとして、私は数え切れないほどの年月を現場での故障のトラブルシューティングに費やし、研究室でプロトタイプをテストし、装置オペレーターが業務中にポンプが故障した日の話を聞くことに費やしてきました。私がよく耳にする最も一般的な問題点の 1 つは、予期せぬ衝撃による損傷です。これは、コストがかかるだけでなく、数日間仕事全体が中断される可能性があります。今日は、アキシャル ピストン ポンプの耐衝撃性要件が実際に何を意味するのか、用途によって耐衝撃性要件がどのように異なるのか、ダウンタイムを回避するために何を探す必要があるのかを詳しく説明したいと思います。
まず、油圧ポンプの文脈における「ショック」が何を意味するのかを明確にしましょう。これは、でこぼこした路面からの荒々しい振動だけではありませんが、それも要因です。衝撃イベントは、数秒ではなくミリ秒単位でポンプの内部コンポーネントを襲う、突然の大きな力のスパイクです。実際の使用においてアキシャル ピストン ポンプが直面する主な衝撃には、圧力衝撃、機械的衝撃、熱衝撃、および急速なシステム イベントによる過渡衝撃の 4 種類があります。
圧力ショックはおそらく最も一般的であり、最もよく理解されています。ホイールローダーのアームがバケツ一杯の砂利を保持し、すぐに叩きつけてダンプすることを考えてください。バルブが移動して流体の方向を変えると、移動する負荷の勢いにより流体がほぼ瞬時に停止し、ポンプの通常の動作圧力の 5 ～ 10 倍になる圧力スパイクが発生します。たとえば、350 bar 定格のポンプでは、その瞬間に 1,750 ～ 3,500 bar の衝撃スパイクが発生する可能性があります。これらのスパイクはポンプのハウジングに負担をかけるだけでなく、斜板、ピストン、バルブ プレート、シャフト シールを損傷する可能性があります。私は数年前、私たちのチームが中堅建設会社に供給したホイールローダー用 Rexroth A7VO スワッシュ プレート マイクロ ピストン ポンプのセットでこれを直接見ました。彼らの装置は、オペレーターが頻繁に荷物を突然投棄する急な平坦でない地形で稼働していました。そのため、3 か月後にはバルブ プレートの亀裂が原因で 4 台のポンプが故障しました。この故障はポンプの設計上の欠陥ではなく、ポンプの衝撃定格とアプリケーションのピーク圧力衝撃との間の不一致でした。
特に起伏の多い地形を移動するモバイル機器では、機械的衝撃も大きな原因となります。このタイプの衝撃は、機械が走行中にポットホール、岩、または平らでない地面に衝突したときにポンプが物理的に揺さぶられることによって発生します。ポンプは機械のシャーシまたはエンジンに取り付けられているため、衝撃はポンプのシャフト、ベアリング、内部ピストンに直接伝わります。 Danfoss H1T シリーズ閉回路タンデム油圧ポンプ フルモデルなど、スキッドステアやコンパクト トラック ローダーでよく使用される閉回路タンデム ポンプの場合、機械的衝撃によりピストンと斜板の位置がずれる可能性があり、摩耗の増加、効率の低下、最終的にはピストンのスカッフィングにつながる可能性があります。これらのポンプを研究室で 10G (重力加速度) の機械的衝撃をシミュレートしてテストしたところ、ポンプの定格圧力内であっても、未改造のユニットでわずか 50,000 回の衝撃サイクル後に体積効率が 12% 低下することがわかりました。これは、通常の起伏のある地形を認識するアプリケーションにとって危険信号です。
熱ショックについてはあまり話題になっていませんが、同様に有害です。これは、冷たい機械が氷点下の状態で始動され、その後すぐに全負荷がかかった場合や、何時間も酷使した後にポンプが過熱し、冷たい流体によって突然冷却された場合など、ポンプが流体の温度の急激な変化にさらされた場合に発生します。アキシャル ピストン ポンプの場合、熱衝撃により、さまざまなコンポーネントがさまざまな速度で膨張および収縮します。たとえば、鋼製ピストンは鋳鉄製バルブ プレートよりも速く膨張します。この膨張差によって部品間に応力が生じ、バルブ プレートやポンプ ハウジングに微細な亀裂が発生することがあります。私たちはかつて、気温が始動時の -20°C から正午までの 35°C まで変動するカナダの大草原でテレハンドラーの艦隊を運用していた農機具ディーラーと仕事をしました。彼らの斜板ポンプはバルブプレートで故障を繰り返し、テストの結果、根本的な原因は熱衝撃であることがわかりました。彼らが使用していた CAT テレハンドラー 3054 エンジン用油圧斜板ポンプ 122 1206 は、北部の気候によく見られる急激な温度変化に対応できるように設計されていませんでした。私たちは、コンポーネント間に設計された熱膨張ギャップを備えたソースポンプを支援し、故障率が 85% 低下しました。
急速なシステム イベントによる一時的なショックは 4 番目のタイプで、多くの場合最も予測不可能です。これは、リリーフバルブが予期せず開いたときやモーターが急停止したときなど、油圧システムの流れや方向が突然変化したときに発生します。パーカー PD 車輪付きトラクター用油圧可変ベーン ポンプのような、負荷要件に合わせて容量を調整する可変ポンプの場合、ポンプ自体の制御システムのシフトが速すぎるため、一時的なショックが発生する可能性があります。コントローラーが 1 秒以内に容量の 50% の変化を要求すると、ピストンと斜板が設計よりも速く動き、油圧回路全体に伝わる衝撃が発生します。オペレータが急に方向転換したり、作業機を急に停止したりするトラクター用途で、ポンプの制御システムの反応が速すぎて、内部コンポーネントに負荷がかかるという状況を経験しています。
では、アキシャルピストンポンプの実際の耐衝撃性要件はどのようなものでしょうか?これらは万能ではなく、3 つの主要な標準とアプリケーション固有のパラメーターによって定義されます。 1 つ目は ISO 10767-1 です。これは油圧ポンプとモーターの世界標準であり、圧力リップルとノイズを決定するものですが、耐圧力衝撃性に関するガイドラインも含まれています。 ISO 10767-1 では、ポンプが永久変形や漏れを生じることなく、定格連続運転圧力 (RUP) の最大 2 倍の圧力スパイクに短期間耐えなければならないと規定しています。しかし、それは最低値であり、目標ではありません。鉱山機器など、より大きな衝撃が定期的に発生するアプリケーションの場合、その要件は RUP の 3 ～ 4 倍に跳ね上がります。
2 番目の重要な規格は ISO 11227 で、油圧コンポーネントの機械的衝撃試験を対象としています。 ISO 11227 は、機械的衝撃耐性を、G 力、パルス持続時間、サイクル数の観点から定義しています。モバイルオフロード機器の場合、規格ではポンプが 6 ミリ秒の 15G 衝撃パルスに耐え、10,000 サイクル後に損傷がないことが求められています。頑丈な採掘機器の場合、その要件は 10 ミリ秒のパルスで 25G の衝撃、および 100,000 サイクルまでになります。ほとんどの標準的なアキシャル ピストン ポンプは最小 15G 要件のみを満たしていますが、起伏の多い地形で作業する場合は、20G 以上の定格のポンプを探す必要があります。
3 番目の要件セットは、アプリケーション固有のデューティ サイクルから生じます。穏やかな整地を行うホイールローダーで使用されるポンプは、砕石を 1 日 10 時間移動させる採石場で使用されるポンプよりも、衝撃の必要性がはるかに低くなります。たとえば、トラック用 CAT T6 T7 油圧シングル ステアリング ピストン ラム ポンプは、作業機とは異なる衝撃プロファイルを持つステアリング システム用に設計されています。ステアリングポンプでは、低規模の圧力スパイクが繰り返し発生しますが、作業機ポンプのような突然の衝撃は発生しません。そのため、衝撃要件は低くなり、ピーク時の衝撃よりも一貫した耐圧性に重点が置かれています。
しかし、標準は物語の一部にすぎません。サプライヤーとして、ポンプの実際の耐衝撃性は、定格値だけではなく、内部の設計機能に依存することがわかりました。第一の特徴は斜板の種類とピストンの設計です。 Rexroth A7VO シリーズなど、ピストンにスリッパ設計を備えたポンプは、スリッパが流体の層の上に乗り、衝撃時の金属間の接触を減らすため、摩擦が低くなり、衝撃吸収性が向上します。対照的に、平らな端のピストンを備えたポンプは、衝撃時にスカッフィングが発生しやすくなります。 2つ目の特徴はバルブプレートのデザインです。丸みを帯びたエッジと最適化されたポート形状を備えたバルブは、シフト中の流体の流れをスムーズにすることで圧力スパイクを軽減します。そのため、適切に設計されたポンプは標準要件の 3 倍の衝撃に耐えることができます。 3つ目の特徴はベアリングのサイズと品質です。特大の高負荷ベアリングを備えたポンプは、標準ベアリングを備えたポンプよりも機械的衝撃を吸収できます。 Danfoss H1T シリーズのような、流れの反転がより頻繁に起こる閉回路ポンプの場合、ベアリングは耐衝撃性にとって重要な設計要素です。
見落とされがちなもう 1 つの要因は、ポンプの取り付けです。最も耐衝撃性の高いポンプであっても、正しく取り付けられていなければ故障します。オペレータが振動を吸収しない硬い金属製ブラケットを使用してポンプを取り付けているのを見たことがありますが、これにより機械的衝撃が 50% 以上増幅されます。解決策は、振動減衰マウントを使用し、ポンプがエンジンまたはドライブ シャフトと完全に位置合わせされていることを確認することです。位置がずれるとシャフトとベアリングに余分な応力が加わり、ポンプが衝撃による損傷を受けやすくなります。当社は、供給するすべてのポンプに取り付けガイドラインを常に提供していますが、機器を作業に戻そうと急いでいるときに、その手順をスキップするオペレータがいかに多いかは驚くべきことです。
では、アキシャルピストンポンプがアプリケーションの耐衝撃性要件を確実に満たすにはどうすればよいでしょうか?まず、衝撃プロファイルをマッピングすることから始めます。機器に突然の圧力スパイク、機械的衝撃、または温度変化が発生した場合は、そのたびにログを記録してください。各イベントの規模、期間、頻度に注目してください。採石場で作業している場合、衝撃プロファイルは農場や建設現場とは大きく異なります。次に、メーカーの一般的な評価に依存しないでください。実際の衝撃条件下でのポンプの性能に関するデータをお問い合わせください。信頼できるサプライヤーは、圧力スパイク、機械的衝撃、および熱衝撃下でポンプがどのように動作するかを示すテストレポートを提供できる必要があります。第三に、ポンプの設計をデューティ サイクルに合わせます。起伏の多い地形で作業する場合は、Rexroth A7VO や Danfoss H1T シリーズなど、スリッパー ピストン、最適化されたバルブ プレート、高荷重ベアリングを備えたポンプを探してください。極端な温度変化のある気候で作業している場合は、当社が提供する CAT テレハンドラー ポンプのような、熱膨張ギャップを設計したポンプを探してください。 4 番目に、適切なメンテナンスに投資します。ハウジングの亀裂、ピストンの擦り傷、バルブプレートの摩耗など、衝撃による損傷の兆候がないかポンプを定期的に検査してください。作動油が汚れていると、内部コンポーネントに余分な磨耗が発生し、衝撃による損傷が悪化する可能性があるため、定期的に作動油を交換してください。
長年にわたり、耐衝撃性は単なる技術要件ではなく、機器の動作を維持することが重要であることを学びました。ポンプが停止すると 1 時間ごとにコストがかかります。衝撃による損傷によるポンプの故障は、多くの場合予防可能なため、最もイライラする種類です。アキシャル ピストン ポンプのサプライヤーとして、私たちの仕事は部品を販売することだけではありません。お客様が機器に何を必要としているのかを正確に理解して、その仕事に対応できないポンプが手に入ることのないように支援することです。ホイール ローダー ポンプを探している建設管理者であっても、テレハンドラー ポンプを必要とする農業従事者であっても、ステアリング ポンプを必要とするトラック オペレーターであっても、重要なのは、ポンプの耐衝撃性をアプリケーションの実際の要求に適合させることです。
衝撃による損傷による予期せぬポンプの故障にうんざりしている場合、または機器に適したアキシャル ピストン ポンプの選択にサポートが必要な場合は、当社がお手伝いいたします。当社は、コンパクトなトラックローダー用の閉回路タンデムポンプから、極端な温度条件用のテレハンドラーポンプまで、さまざまな衝撃プロファイル向けに設計された一連のポンプを提供しています。当社のチームは、実際の現場条件でポンプをテストしてきた長年の経験があるため、お客様のデューティ サイクルと予算に合ったソリューションを見つけるお手伝いをいたします。衝撃的なダウンタイムによって次のプロジェクトが台無しにならないように、今すぐ当社にご連絡いただき、油圧のニーズについてご相談ください。
参考文献
- 国際標準化機構。 （2019年）。 ISO 10767-1: 油圧流体の動力 – ポンプとモーターによって生成される圧力リップルおよび騒音レベルの決定 – パート 1: 圧力リップルの測定方法。
- 国際標準化機構。 （2020年）。 ISO 11227: 油圧流体動力 – 油圧ポンプおよびモーター – 機械的衝撃試験方法。
- マンリング、ノースダコタ州 (2005)。油圧制御システム。ジョン・ワイリー＆サンズ。
- レックスロス・ボッシュ・グループ。 （2021年）。モバイル用途向けアキシャルピストンポンプ: 性能と耐衝撃性のガイドライン。
- ダンフォスのパワーソリューション。 （2022年）。 H1T シリーズ タンデム ポンプ: 極限環境での動作を考慮した設計機能。
