初めて掘削機を詳しく見る人は、同じ質問をする傾向があります。この機械の重量は数十トンありますが、これほど多くの動きの方向をどのようにして同時に調整するのでしょうか?ブームが上がり、アームが伸び、バケットがカールし、上部構造が回転します。すべてが同時に、すべて独立して行われます。
従来の機械式動力伝達装置 (歯車、チェーン、ベルト) を使用して掘削機のすべての「関節」を駆動すると、機械全体が保守不能な複雑な機構になってしまいます。油圧技術がすべてを変えました。
油圧ドライブは、硬いロッドとシャフトを流体に置き換えます。細い油圧ホースが構造部材の周りを蛇行し、エンジン ルームから 10 メートル離れたバケット先端まで動力を伝達し、途中で分岐して各動作を正確に制御します。このロジックにより、現代の建設機械は、純粋な機械的手段では物理的に不可能な動力分配を実現できます。
この記事では、ショベル、ロードローラー、クレーンを例として建設機械の「関節」を分解し、それぞれの動作の背後にある油圧駆動ロジックを説明します。
油圧ドライブを理解するには、建設機械の動力伝達チェーンがどのように構成されているかを理解することから始まります。
従来の機械式トランスミッションのロジック (初期のトラクターの例):
エンジン → フライホイール → クラッチ → ギアボックス → ドライブシャフト → ディファレンシャル → 駆動輪 このチェーンは剛性が高く、移動方向が増えるたびに追加のギア セットまたはドライブシャフトが必要となり、構造の複雑さが指数関数的に増大します。走行、ステアリング、および作動アタッチメントという 3 つの独立した動作を同時に駆動する必要がある場合、機械式トランスミッションは本質的に非実用的になります。
油圧伝動のロジック：
エンジン→油圧ポンプ→高圧回路→コントロールバルブ→【シリンダー・モーター】→動作 エンジンの回転機械エネルギーは、まず油圧ポンプによって回路内に蓄えられる流体圧力エネルギーに変換されます。制御バルブは高圧オイルがどこに流れるかを決定します。油圧シリンダーは直線運動に変換し、油圧モーターは回転運動に変換します。このシステムでは、ホースがドライブシャフト、コントロールバルブがギアボックスになりますが、ホースはどんな障害物でも曲げることができ、バルブはレバー 1 つで無限に調整できます。
これが油圧トランスミッションの本質的な利点です。つまり、 剛性コンポーネントの代わりに流体を使用して、あらゆる空間形状を通じて動力を伝達、分配、制御します。
掘削機は、油圧駆動の最も有益な教科書の例です。標準的な油圧ショベルは、少なくとも 5 つの相互に独立した油圧回路を実行し、それぞれが基本的に異なる種類の動作を駆動します。
ブームは掘削機の構造的に最も重い部材であり、上部構造をアームに接続します。によって昇降します。 ブームの油圧シリンダー (通常はブームの根元に並列に取り付けられた 2 つのシリンダー)
オペレーターがジョイスティックを押すと、制御バルブが高圧オイルをシリンダーのロッドエンドまたはキャップエンドに送り込み、ピストンロッドを伸縮させ、それに応じてブーム全体が上昇または下降します。
ここでのエンジニアリング上の課題は、負荷がかかった状態で位置を保持することです。ブーム、アーム、バケット、ペイロードの重さは合わせて数トンになる可能性があり、静止した状態でブームが自重でゆっくりと沈むのを防ぐために、油圧シリンダーは圧力を維持する必要があります。最新の掘削機には、制御バルブ ブロック内に パイロット操作のチェック バルブ (カウンターバランス バルブ)が組み込まれており 、ジョイスティックが中立に戻るとオイル回路が自動的にロックされ、ブームが任意の位置で正確にホバリングできるようになります。
アームはブームの先端にヒンジで取り付けられており、 アームの油圧シリンダーによって駆動され、伸縮を制御します。アームの動きは人間の前腕の曲げ伸ばしに似ており、バケツの水平方向の到達範囲と掘削深さを制御します。
深部掘削作業では、アームシリンダは垂直に近い姿勢で動作しながら、積載されたバケットの全重量を支える必要があり、シリンダのシールと圧力保持性能に極めて厳しい要求が課せられます。通常、エンジニアリング基準では、定格使用圧力でアーム シリンダのピストン ロッドが 30 分間で 3 mm を超えて沈まないことが要求されます。
バケットはアーム先端でヒンジで固定されており、 バケット油圧シリンダーによって制御され、バケットをカールさせたり開いたりします。バケットのストロークは短いですが、地面を貫通する際にかかる力は非常に大きく、岩石や硬い土壌によって数ミリ秒以内に回路内に数十メガパスカルの圧力スパイクが発生する可能性があります。
このため、バケットおよびアームのシリンダ回路には通常、 安全リリーフバルブ (過負荷バルブ)が装備されています。外力によって引き起こされる圧力が設定値を超えると、バルブが自動的に圧力を解放し、シリンダを損傷から保護し、厳しい過負荷の下でバケットの構造部材が破損するのを防ぎます。
上部構造旋回は、 油圧モータの用途です。 掘削機における最も特徴的な上半身全体 (エンジン、キャブ、作動アタッチメント) は、車台に対して連続的に 360° 回転する必要があります。油圧シリンダーではこれを実現できません (ストロークは有限です)。この作業には スイング油圧モーターが必要です.
モーターの回転出力は、 旋回減速ギアボックス (通常は遊星歯車セット) を通過して速度を大幅に低下させ、トルクを増大させます。その後、車台に固定された 旋回ベアリング リング ギアを駆動して 、上部構造全体を回転させます。
スイング動作では、油圧モーターに非常に厳しい要件が課せられます。
高い始動トルク: 上部構造には巨大な回転慣性があり、停止状態から始動するには十分なトルクが必要です。
低速安定性: 精密な位置決めには、極低速 (場合によっては 3 rpm 未満) でのぎくしゃく感のないスムーズな回転が必要です。
速いブレーキ応答: オペレーターがジョイスティックを放すと、上部構造は回転慣性によってドリフトすることなく、迅速かつ正確にブレーキをかける必要があります。
これらの要件を満たすために、大型掘削機のスイング モーターは、ほぼ一般的に ラジアル ピストン油圧モーターであり、スムーズな始動/停止制御を実現する統合ブレーキおよびクッション バルブ アセンブリと組み合わせられています。
掘削機の走行は、各履帯に 1 つずつ、2 つの独立したによって駆動され 走行油圧モータ、それぞれの出力トルクが 走行減速ギアボックス と 駆動スプロケットを介して 履帯リンクに伝達されます。
左右のモーターは独立して制御され、掘削機のピボットターン機能を提供します。左モーターが前進、右モーターが後退すると、機械はその場で回転します。両方のモーターが同じ前進速度で動作すると、機械は直進します。このディファレンシャル制御には、純粋に機械的なドライブトレインでは複雑なディファレンシャル ロックおよびステアリング クラッチ機構が必要ですが、油圧システムでは 2 つの独立したコントロール レバーだけが必要です。
走行モーターは通常、 2 速度設計 (高速/低速シフト) を特徴としています。低速は大きな変位、高トルクを実現し、負荷がかかった状態での坂道登りや短時間の位置変更に使用されます。高速はより小さな変位とより高い rpm を実現し、現場での迅速な再位置決めに使用されます。速度切り替えはモーターの内部可変機構によって行われ、外部ギアボックスは必要ありません。
ロードローラーは、スチールドラムの重量と振動を利用して路面材を圧縮します。一般的なシングルドラム振動ローラーは、油圧システムに依存して、 走行駆動、ドラム振動駆動、関節式ステアリングという3 つの機能を同時に処理します。.
ロード ローラーにはギアボックスがありません。その移動速度は 静油圧トランスミッション (HST)によって完全に制御されます。エンジンは 可変容量型ピストン ポンプを駆動し、その出力流量は斜板角度によって継続的に調整されます。流量が多いほど高速移動を意味し、流量が少ないほど低速移動を意味し、逆流量は逆移動を意味します。すべてクラッチやギア シフトを使用せず、単一の無段階可変レバーのみを使用します。
走行モーターは駆動軸に直接取り付けられ、ポンプから高圧オイルを受け取り、回転を出力して走行車輪を駆動します。この閉回路「ポンプ モーター」システムは効率的で応答性が高く、連続的に可変であり、最新の建設機械走行システムの標準構成です。
ロード ローラーの振動効果は、専用の 偏心質量から発生します によって高速 (通常 1,500 ～ 3,000 rpm) で駆動されるスチール ドラム内の 振動油圧モーター。回転する偏心質量により遠心力が発生し、この遠心力が通常 25 ～ 50 Hz の周波数の周期振動としてドラムに伝達されます。
振動モーターは非常に過酷な環境で動作します。振動モーターはドラム軸の内側に取り付けられ、振動源に直接結合されており、巨大な半径方向の衝撃荷重にさらされます。振動モーターのベアリングが故障すると、振動システム全体が停止し、圧縮効率が大幅に低下します。このため、振動モーターにはベアリングの硬度と鋳鉄製のハウジングの剛性に対して厳しい要件が課されます。
ハイスペックローラーでは、振動振幅（偏心質量オフセット）と周波数の両方が調整可能です。モーター速度と偏心質量の相対位相を変えることにより、オペレータは「高周波数、小振幅」モード（アスファルト表層の仕上げに適しています）と「低周波数、大振幅」モード（路盤の粗締めに適しています）を切り替えることができます。
大型ロードローラーは関節式フレーム設計を採用しており、前部と後部のフレームセクションがを介して互いに折り畳まれます ステアリング油圧シリンダー。シリンダーの伸縮により前後のフレームが逆方向にたわみ、小回り半径を実現します。純粋に機械的なステアリングと比較して、このアプローチはオペレーターの労力を最小限に抑え、線形応答を実現し、ドラムが平らでない表面を転がるときにステアリングがキックバックすることを引き起こしません。
移動式クレーンは、油圧駆動エンジニアリングの最も包括的なショーケースの 1 つです。一般的な車輪付きクレーンの油圧システムは 、アウトリガーの展開、ブームの伸縮、ラフィング、旋回、および巻き上げという5 つの異なる動作システムを同時に制御する必要があります。.
吊り上げる前に、クレーンは 4 つのアウトリガーを伸ばしてジャッキでシャーシをタイヤから離し、荷重による転倒を防ぐ必要があります。各アウトリガーは、 水平延長シリンダー (アウトリガー ビームを横方向に押す) と 垂直サポート シリンダー (ビーム パッドを地面に対してジャッキで押し下げてシャーシを持ち上げる) によって展開されます。
アウトリガーシリンダーの重要な性能要件は、 絶対的な長期圧力保持です。1 回のリフトは数時間または丸一日継続する場合があります。シリンダーは、その期間中漏れなく支持力を維持する必要があります。シャーシがゆっくりと沈むと、その結果生じる荷重形状の変化が致命的な転倒を引き起こす可能性があります。
最新の移動式クレーンのメイン ブームは、格納された長さ (約 10 メートル) から最大作業長さ (大型機械では 60 メートル以上) まで伸ばすことができ、 ブーム伸縮式油圧シリンダーによって駆動されます。 入れ子になった各ブーム セクションを順番に伸ばす
ラフィングはによって駆動され、水平に対するブームの角度を調整します 、ラフィング油圧シリンダ。ラフィングとブーム伸縮を組み合わせることで、オペレータはフックをターゲットピックポイントの上に正確に配置できます。
掘削機と同様に、クレーンの上部構造の旋回は 旋回油圧モータによって駆動されます。しかし、クレーンの旋回は操作上より複雑です。クレーンが吊り荷を持って回転すると、吊り荷は慣性により振り子のように揺れ、旋回駆動システムに振動負荷が発生します。オペレーターは、微妙なバルブ調整を使用して、緩やかでスムーズな加速と減速を実現し、スイングが制御不能になるのを防ぐ必要があります。
ハイスペッククレーンには旋回回路に 比例制御バルブが組み込まれており 、ジョイスティックの変位をモーター速度に線形にマッピングし、「さらに押す = 速く進む、離す = 遅くする」というリニアな制御感覚を生み出し、オペレーターの作業負荷を大幅に軽減します。
巻上機構は、 巻上用油圧モータにより ドラムを回転させ、ワイヤロープを巻き取ったり緩めたりしてフックを昇降させます。ホイスト モーターは、クレーンの油圧システムの中で最も出力が高く、操作上最も重要な単一アクチュエーターです。信頼性の高いを提供しながら、定格負荷の下で長期間スムーズな一定速度の動作を維持する必要があります ブレーキ保持能力 。何らかの理由で油圧が失われた場合、吊り荷の落下を防ぐためにブレーキが自動的かつ瞬時に作動する必要があります。
3 つの機械タイプすべてにわたる解析を総合すると、油圧ドライブは建設機械にいくつかの基本的な機能をもたらします。
① 「ワイヤレス」配電
油圧ホースは構造部材の周囲を取り回して、構造物を貫通する剛性のドライブシャフトを必要とせずに機械の任意の点に到達できます。
② 複数の独立した同時動作
1 つのポンプで複数のアクチュエータに同時にオイルを供給できます。各アクチュエータは、他のアクチュエータに干渉することなく、独自のバルブによって独立して制御されます。掘削機のオペレーターは、1 つの動作が終了するのを待ってから次の動作を開始することなく、腕の振りと伸ばしを同時に行うことができます。
③無段変速と微調整
速度は、ポンプ容量またはバルブ開度のいずれかで流量を調整することによって調整されます。ジョイスティックの位置が速度を決定します。完全な偏向は最大速度を意味します。リリースは停止を意味します。制御ロジックは直接的かつ直感的です。
④ 力の乗算
パスカルの法則により、油圧システムは最小限のオペレータの労力で数十トンの荷重を制御できます。運転室のレバーを軽く押すだけで、満載のトラックを持ち上げることができます。これは、純粋に機械的なシステムでは巨大なレバー機構を必要とする力の倍率です。
⑤ 自動過負荷自己保護機能
システムリリーフバルブは、圧力が設定値を超えると自動的に圧力を解放し、すべてのコンポーネントを過負荷による損傷から保護します。機械的過負荷保護は通常、過負荷が発生するたびに交換する必要がある「犠牲コンポーネント」(シャーピン) に依存しています。油圧システムは自らを保護し、介入なしで自動的に作業を再開します。
上記のすべての動作シナリオにおいて、場合には、油圧モーターがかけがえのないアクチュエーターとなります。 連続的な回転出力 が必要な
機械 |
油圧モーターの位置 |
主な要件 |
|---|---|---|
掘削機 |
上部構造スイング、左右移動 |
高い始動トルク、低速安定性、高速制動 |
ロードローラー |
走行駆動、振動ドラム駆動 |
無段変速、耐衝撃性 |
移動式クレーン |
上部旋回、巻上ドラム |
高精度な制御、確実なブレーキ保持力 |
コンバインハーベスタ |
ヘッダードライブ、トラベルドライブ |
変動負荷でも安定した速度、コンパクトな設置 |
船の巻き上げ機 |
ケーブルドラム |
極低速高トルク、耐食性 |
油圧モーターには、さまざまな用途要件に合わせていくつかのタイプがあります。ラジアルピストン設計 — Blince など LD シリーズ油圧モータ - 掘削機スイングドライブ、クレーン旋回システム、船舶用ウインチなど、低速安定性、高圧耐性、耐衝撃性が同時に要求される要求の厳しい用途で広く使用されています。
建設機械を外から見ると、生の鋼の力が現れています。内部から見ると、水理知性の研究です。エンジンによって生成された動力は、油圧ポンプによって流体圧に変換され、ホースを通じて各関節に分配され、シリンダーによって直線力に、モーターによって回転力に変換され、最終的にはアームが伸びる、ドラムが圧縮される、ブームが空に伸びるなど、目に見えるマクロスケールの動作を生み出します。
このパワーチェーンを理解することは、エンジニアが機器の選択やシステム設計においてより適切な意思決定を行うのに役立ちます。これにより、オペレータとメンテナンス技術者は、問題が発生する場所と理由を理解するための明確な診断フレームワークが得られます。建設機械のすべての油圧ジョイントは、力学、流体力学、精密製造の総合物です。
いいえ、それらの機能は根本的に異なります。油圧シリンダーは限られたストロークの直線運動を生成し、連続的に回転することはできません。油圧モーターは連続的な回転出力を生成しますが、直線往復運動を生成することはできません。掘削機では、ブーム、アーム、バケットにシリンダーを使用する必要があります。スイングとトラベルではモーターを使用する必要があります。これらの割り当ては必要な動作の種類によって決まり、交換することはできません。
上部構造が回転すると、大きな回転運動エネルギーが蓄積されます。オペレーターがジョイスティックを放すとブレーキがかかりますが、油圧回路に アンチキャビテーション (メイクアップ) バルブがないと 、過度に急なブレーキをかけると回路内に一時的な真空が発生し、モーターのブレーキ力が低下し、上部構造が惰行を続けることになります。最新の掘削機スイング回路には通常、 双方向のメイクアップバルブが含まれています。 ブレーキ中に低圧側をオイルで満たし、キャビテーションやドリフトを防止する不適切な操作（ジョイスティックを早く放しすぎる）や油圧オイルのレベルが低いと、この影響がさらに悪化します。
振動周波数 (Hz) と振幅 (mm) によって圧縮結果が決まります。低周波数、高振幅 (例: 25 ～ 30 Hz、高振幅) は、厚い底層および骨材材料に適しています。振動波は高エネルギーで深く浸透し、深層の緻密化を達成します。高周波、低振幅（例：40 ～ 50 Hz、低振幅）は、薄いアスファルト表層の仕上げに適しています。骨材粒子を破壊することなく、エネルギーが表層に集中します。パラメータの選択を誤ると、過圧縮 (骨材の破砕) または過小圧縮 (不十分な密度) が発生します。これがまさに、高仕様ローラーが調整可能な振動パラメータを提供する理由です。
フックと負荷はワイヤロープで吊り下げられ、自由振り子を形成します。クレーンが旋回中に加速または減速すると、慣性によって負荷がフックに対して水平方向に変位し、揺れが生じます。スイングの振幅は、回転加速率とロープの長さに応じて増加します。ロープが長くなるほど、加速度が速くなると、スイングが大きくなります。緩和アプローチ: 運用上、オペレーターはゆっくりと均一に加速し、目標位置の十分前に減速を開始する必要があります。機器レベルでは、 比例制御バルブにより 穏やかな加速プロファイルが可能になり、高性能クレーンには、センサーを使用してスイング角度を継続的に測定し、モーター速度を自動的に補正する アクティブ揺れ防止制御システムが組み込まれています 。
最も危険な故障は、 突然の油圧ホースの破裂です。ホースが故障すると、影響を受けたアクチュエータは即座に圧力を失い、ブームやアームの突然の落下 (人身傷害の危険)、クレーンの吊り荷の自由落下、または制御不能な移動を引き起こす可能性があります。最新の機械は、 カウンターバランス バルブ (荷重保持バルブ)を使用して 、ラインが破断した場合にアクチュエータの制御不能な動きを自動的に防止し、緊急対応のための時間を稼いでいます。次に重要な問題は、シールの磨耗やバルブスプールの固着を引き起こす 深刻な作動油の汚染です 。これは、日常の操作で徐々に性能が低下する最も一般的な原因であり、油圧システムの予防保守の最も重要な焦点です。
選択は、 電力密度、制御モード、動作環境の3 つの要素によって決まります。油圧モーターは、同じサイズの電気モーターよりも単位体積あたりのトルクがはるかに高く、本質的に耐水性、防塵性があり、発熱するコイル巻線がないため、過酷な環境、湿気、埃の多い屋外環境に適しています。電気モーターは、より高い制御精度と効率 (油圧伝達損失がない) を提供するため、高精度でクリーンな屋内の産業環境に適しています。近年、 電気油圧式ハイブリッド駆動技術が 成熟するにつれ、この 2 つのアプローチの境界があいまいになってきました。電動ショベルは、作業アタッチメント用の油圧システムを維持し、走行駆動のみを電気モーターに置き換えます。なぜなら、油圧シリンダーとモーターは、低速高負荷条件下での出力密度と制御性の点で依然として比類のないものだからです。
