油圧シリンダー

油圧シリンダ（リニア油圧モータとも呼ばれる）は、一方向のストロークで一方向の力を与えるために使用される機械アクチュエータです。 ^[要出典]建設機械（エンジニアリング車両）、製造機械、エレベーター、土木工学など、多くの用途があります。油圧シリンダは、油圧エネルギーが機械的運動に変換されて直線運動を提供する油圧アクチュエータです。機械の油圧システムが作動すると、シリンダが運動を提供する役割を果たすという点で、筋肉に例えることができます。^[1]

油圧シリンダーは、圧縮できない加圧された作動油から動力を得ます。 ^[2]通常、作動油として油が使用されます。油圧シリンダーはシリンダーバレルで構成されており、その中でピストンロッドに接続されたピストンが前後に動きます。バレルの一端はシリンダー底部（キャップ​​とも呼ばれる）で閉じられ、他端はピストンロッドがシリンダーから出てくるシリンダーヘッド（グランドとも呼ばれる）で閉じられています。ピストンにはスライドリングとシールがあります。ピストンはシリンダーの内部を底部チャンバー（キャップ​​端）とピストンロッド側チャンバー（ロッド端/ヘッド端）の2つのチャンバーに分割します。

フランジ、トラニオン、クレビス、ラグは、一般的なシリンダー取り付けオプションです。ピストン ロッドには、シリンダーを押したり引いたりする物体または機械部品に接続するための取り付けアタッチメントもあります。

油圧シリンダは、このシステムのアクチュエータまたは「モーター」側です。油圧システムの「ジェネレータ」側は、一定または調整された流量のオイルを油圧シリンダに送り、ピストンを動かす油圧ポンプです。広く使用されているポンプには、油圧ハンドポンプ、油圧エアポンプ、油圧電動ポンプの 3 種類があります。ピストンは、他のチャンバー内のオイルをリザーバに押し戻します。伸長ストローク中にオイルがキャップ端から入り、ロッド端/ヘッド端のオイル圧力がほぼゼロであると仮定すると、ピストンロッドにかかる力Fは、シリンダ内の圧力Pとピストン面積A の積に等しくなります。

${\displaystyle F=P\cdot A}$

複動式シングルロッドシリンダーの場合、入力圧力と出力圧力が逆転すると、ピストンの片側が取り付けられたロッドによって覆われているため、ピストンの両側に力の差が生じます。シリンダーロッドはピストンの表面積を減らし、収縮ストロークに適用できる力を減らします。^[3]

引き込みストローク中に、オイルがロッド端のヘッド（またはグランド）に送り込まれ、キャップ端からのオイルが圧力なしでリザーバーに戻る場合、ロッド端の流体圧力は（引っ張り力）/（ピストン面積 - ピストンロッド面積）になります。

${\displaystyle P={\frac {F_{p}}{A_{p}-A_{r}}}}$

ここで、P は流体圧力、F _pは引っ張り力、A _pはピストンの面積、A _{r は}ロッド断面積です。

複動式ダブルロッドシリンダーの場合、ピストンの表面積がヘッドの両側で同じサイズのロッドによって均等に覆われると、力の差は生じません。このようなシリンダーでは、通常、シリンダー本体が固定マウントに固定されています。

油圧シリンダーは、大きな力が必要なあらゆる機械に使用できます。最もよく知られているのは、掘削機、バックホー、トラクターなどの土木機械で、ブーム、アーム、バケットを上げ下げするために使用されます。^{[4]製造業も人気のある用途の1つで、油圧曲げ機、金属板せん断機、}パーティクルボードや合板製造用のホットプレス機などに使用されています。

油圧シリンダーには次の部品があります。

シリンダー本体の主な機能は、シリンダー圧力を保持することです。シリンダーバレルは、主にホーニングされたチューブで作られています。^[5] ホーニングされたチューブは、ホーニングに適した鋼の冷間引抜シームレスチューブ（CDSチューブ）またはマンドレル上引き抜き（DOM）チューブから製造されます。ホーニングされたチューブは、ID処理なしで油圧シリンダーにすぐに使用できます。シリンダーバレルの表面仕上げは通常4〜16マイクロインチです。ホーニングプロセスとスカイビング＆ローラーバニシング（SRB）プロセスは、シリンダーチューブを製造するための2つの主要なタイプのプロセスです。^[6]ピストンはシリンダー内で往復運動します。シリンダーバレルは、滑らかな内面、高精度の許容差、使用中の耐久性などの特徴を備えています。

キャップの主な機能は、圧力室を一端で囲むことです。キャップは、溶接、ねじ、ボルト、またはタイ ロッドによって本体に接続されます。キャップは、シリンダー取り付け部品 (キャップ フランジ、キャップ トラニオン、キャップ クレビス) としても機能します。転覆サイズは、曲げ応力に基づいて決定されます。キャップとバレルの間には、静的シール/O リングが使用されます (溶接構造を除く)。

ヘッドの主な機能は、圧力室を反対側から密閉することです。ヘッドには、ロッド シーリング装置が組み込まれているか、シール グランドを受け入れるオプションがあります。ヘッドは、ねじ、ボルト、またはタイ ロッドによって本体に接続されます。ヘッドとバレルの間には、静的シール/O リングが使用されます。

ピストンの主な機能は、バレル内の圧力ゾーンを分離することです。ピストンには、エラストマーまたは金属シールとベアリング要素をはめ込むための溝が機械加工されています。これらのシールは、単動式または複動式です。ピストンの両側の圧力差により、シリンダーが伸縮します。ピストンは、直線運動を伝達するために、ねじ、ボルト、またはナットでピストン ロッドに接続されています。

ピストン ロッドは、通常、硬質クロムメッキされた冷間圧延鋼で、ピストンに取り付けられ、シリンダーからロッド エンド ヘッドまで伸びています。ダブル ロッド エンド シリンダーでは、アクチュエーターにはピストンの両側から伸び、バレルの両端から出るロッドがあります。ピストン ロッドは、油圧アクチュエーターを作業を行う機械部品に接続します。この接続は、機械ねじまたは取り付けアタッチメントの形式にすることができます。ピストン ロッドは、信頼性の高いシールを提供し、漏れを防ぐために、高度に研磨されています。

シリンダー ヘッドには、加圧されたオイルがロッドとヘッドの境界面から漏れるのを防ぐシールが取り付けられています。この部分はシール グランドと呼ばれます。シール グランドの利点は、取り外しとシールの交換が簡単なことです。シール グランドには、プライマリ シール、セカンダリ シール/バッファー シール、ベアリング要素、ワイパー/スクレーパー、および静的シールが含まれています。場合によっては、特に小型油圧シリンダーでは、ロッド グランドとベアリング要素が 1 つの一体型機械加工部品から作られています。

シールは、最大シリンダ作動圧力、シリンダ速度、作動温度、作動媒体、および用途に耐えられるよう考慮/設計されています。ピストンシールは動的シールであり、単動式または複動式にすることができます。^[7]一般的に、ニトリルゴム、ポリウレタン、またはその他の材料で作られたエラストマーシールは低温環境に最適であり、フルオロカーボン バイトンで作られたシールは高温環境に適しています。金属製シールも利用可能であり、シール材料には鋳鉄が一般的に使用されています。ロッドシールは動的シールであり、通常は単動式です。ロッドシールの化合物は、ニトリルゴム、ポリウレタン、またはフルオロカーボンバイトンです。ワイパー/スクレーパーは、シリンダー壁、ロッド、シール、およびその他のコンポーネントに大きな損傷を与える可能性がある湿気、汚れ、ほこりなどの汚染物質を除去するために使用されます。ワイパーの一般的な化合物はポリウレタンです。金属製スクレーパーは、氷点下のアプリケーションや、ロッドに異物が堆積する可能性があるアプリケーションで使用されます。ベアリング要素/摩耗バンドは、金属同士の接触を排除するために使用されます。摩耗バンドは、最大の側面荷重に耐えるように設計されています。摩耗バンドに使用される主な化合物は、充填PTFE、織物強化ポリエステル樹脂、および青銅 です。

油圧シリンダーの内部は多くの部品で構成されており、これらすべての部品が組み合わさって完全に機能する部品が作られます。^[8]

• シリンダーベース接続
• クッション
• 内ねじ付きダクタイルヘッド
• 頭腺
• ポリパックピストン
• シリンダーヘッドキャップ
• バットプレート
• アイブラケット/クレビスブラケット
• MP取り外し可能マウント
• ロッドアイ/ロッドクレビス
• ピボットピン
• 球面ボールブッシング
• 球状ロッドアイ
• アライメントカップラー
• ポートと継手

• 単動シリンダーは経済的で最もシンプルな設計です。油圧流体はシリンダーの一端のポートから入り、面積の差によってロッドが伸びます。外力、内部の収縮スプリング、または重力によってピストンロッドが戻ります。
• 複動シリンダーにはピストンの両端または側面にポートがあり、伸縮の両方に油圧油が供給されます。^[9]

業界で使用されている油圧シリンダー構造には、主にタイロッド型シリンダーと溶接ボディ型シリンダーの 2 つの主要なスタイルがあります。

タイロッド型油圧シリンダーは、高強度のねじ付き鋼棒を使用して、2 つのエンド キャップをシリンダー バレルに固定します。このタイプは、工場の工業用途で最もよく見られます。小口径シリンダーには通常 4 本のタイ ロッドがあり、大口径シリンダーでは、発生する巨大な力に耐えてエンド キャップを保持するために 16 本または 20 本ものタイ ロッドが必要になる場合があります。タイ ロッド型シリンダーは、サービスや修理のために完全に分解できますが、カスタマイズできない場合もあります。^[10]

全米流体動力協会(NFPA) は油圧タイロッド シリンダーの寸法を標準化しました。これにより、異なるメーカーのシリンダーを同じマウント内で交換できるようになります。

溶接ボディシリンダーにはタイロッドがありません。バレルはエンドキャップに直接溶接されています。ポートはバレルに溶接されています。フロントロッドグランドは通常、シリンダーバレルにねじ込まれるか、ボルトで固定されています。これにより、ピストンロッドアセンブリとロッドシールを取り外して修理することができます。

溶接ボディシリンダーは、タイロッド型シリンダーに比べて多くの利点があります。溶接シリンダーはボディが狭く、全長が短いことが多いため、機械の狭い場所にもフィットします。溶接シリンダーは、高圧や長いストロークでもタイロッドの伸びによる故障の心配がありません。^[11]溶接設計はカスタマイズにも適しています。シリンダー本体には、特別なポート、カスタムマウント、バルブマニホールドなどの特別な機能を簡単に追加できます。^[10]

溶接シリンダーの滑らかな外胴により、多段伸縮シリンダーの設計も可能になります。

溶接ボディ油圧シリンダーは、建設機械 (掘削機、ブルドーザー、ロードグレーダー) や資材搬送機器 (フォークリフト、テレハンドラー、リフトゲート) などの移動式油圧機器市場で主流を占めています。また、重工業では、クレーン、石油掘削装置、地上採掘作業用の大型オフロード車両にも使用されています。

油圧シリンダーのピストンロッドは、シリンダーの内側と外側の両方で動作し、その結果、油圧流体と周囲の大気の内外の両方で動作します。

ピストンロッドの外径には、耐摩耗性と耐腐食性を備えた表面が望まれます。表面には、クロム (ニッケル) メッキ、ルナック 2+ デュプレックス、レーザークラッディング、PTA 溶接、溶射などのコーティング技術が使用されることがよくあります。これらのコーティングは、シールが最適なパフォーマンスを発揮する望ましい表面粗さ (Ra、Rz) に仕上げることができます。これらのコーティング方法には、それぞれ固有の長所と短所があります。このため、コーティングの専門家は、油圧シリンダーを保護するための最適な表面処理手順を選択する上で重要な役割を果たします。

シリンダーはさまざまな運用条件で使用されるため、適切なコーティング ソリューションを見つけるのは困難です。浚渫では石や他の部品からの衝撃を受ける可能性があり、海水環境では極度の腐食攻撃があり、沖合のシリンダーは海水との組み合わせによる曲げや衝撃に直面し、鉄鋼業界では高温が関係するなどです。特定の運用摩耗条件すべてに効果的に対処できる単一のコーティング ソリューションは存在しません。すべての技術には独自の利点と欠点があります。

ピストンロッドは、一般的に、用途に合わせて切断された長さで提供されます。一般的なロッドは軟鋼または軟鋼の芯材を使用しているため、ロッドの端部は溶接または機械加工してねじ山を作ることができます。

ピストン面とピストン ヘッド リテーナーにかかる力は、使用されるピストン ヘッド リテンション システムによって異なります。

サークリップ(またはプレロードされていないシステム) を使用する場合、ピストン ヘッドとシリンダー シャフト ショルダーを分離するために作用する力は、適用された圧力にピストン ヘッドの面積を乗じた値になります。ピストン ヘッドとシャフト ショルダーは分離し、負荷はピストン ヘッド リテーナーによって完全に反応します。

プリロード システムを使用する場合、シリンダー シャフトとピストン ヘッド間の力は、最初はピストン ヘッド リテーナーのプリロード値になります。圧力がかかると、この力は減少します。ピストン ヘッドとシリンダー シャフトの肩部は、加えられた圧力とピストン ヘッドの面積を乗じた値がプリロードを超えない限り、接触したままになります。

ピストンヘッドリテーナーにかかる最大の力は、予圧と加圧圧力の大きい方をピストンヘッド全体の面積で乗じた値です。ピストンヘッドリテーナーにかかる負荷は外部負荷よりも大きくなりますが、これはピストンヘッドを通過するシャフトのサイズが小さくなるためです。シャフトのこの部分を大きくすると、リテーナーにかかる負荷が減ります。^[12]

サイドローディングとは、シリンダーロッドの中心にかかっていない不均等な圧力のことである。この中心からずれた歪みは、極端な場合にはロッドの曲がりにつながるが、より一般的には円形のシールが楕円形に歪むことで漏れを引き起こす。また、ロッドが横方向に強く押されてシールが完全に圧縮され変形し、金属同士が擦れ合う接触が生じると、ロッドの周りのボアホールとピストンヘッド周りのシリンダー内壁が損傷して拡大する可能性がある。^[13]

サイドローディングの歪みは、最大伸長長さを短縮する内部ストップチューブの使用によって直接軽減することができ、ピストンとボアシールの間にある程度の距離を残し、シールの歪みに抵抗するためのてこ作用を増加させます。ダブルピストンは、サイドローディングの力を分散させ、ストローク長も短縮します。あるいは、外部のスライドガイドとヒンジで荷重を支え、シリンダーに直接かかるサイドローディング力を軽減することもできます。^[14]

取り付け方法もシリンダーの性能に重要な役割を果たします。一般的に、シリンダーの中心線に固定して取り付けるのが、直線的な力の伝達と摩耗の防止に最適です。一般的な取り付け方法は次のとおりです。

フランジマウント- 非常に強くて剛性がありますが、ずれに対する許容度は低いです。専門家は、スラスト荷重にはキャップエンドマウントを、大きな荷重でピストンロッドが張力を受ける場合はロッドエンドマウントを推奨しています。ヘッド長方形フランジ、ヘッド正方形フランジ、または長方形ヘッドの3種類があります。フランジマウントは、取り付け面が機械支持部材に取り付けられている場合に最適に機能します。^[15]

サイドマウント シリンダー- 取り付けとメンテナンスは簡単ですが、シリンダーが負荷に力を加えるとマウントが回転モーメントを生成し、摩耗が増加します。これを回避するには、サイドマウント シリンダーのボア サイズと同じかそれ以上のストロークを指定します (負荷が重いと、ストロークが短くボアが大きいシリンダーが不安定になる傾向があります)。サイドマウントは適切に位置合わせし、負荷をサポートしてガイドする必要があります。

センターラインラグマウント- センターライン上の力を吸収し、高圧または衝撃条件下での動きを防ぐためにラグを固定するためのダウエルピンが必要です。ダウエルピンは、高圧または衝撃荷重下で動作するときに機械に固定します。^[15]

ピボットマウント- シリンダーの中心線にかかる力を吸収し、シリンダーを1つの平面内で位置合わせできるようにします。一般的なタイプには、クレビス、トラニオンマウント、球面ベアリングなどがあります。これらのマウントはシリンダーを回転させることができるため、同様に回転するロッドエンドアタッチメントと一緒に使用する必要があります。クレビスマウントはどの方向にも使用でき、通常は短いストロークと小口径から中口径のシリンダーに推奨されます。 ^[16]

油圧シリンダーの長さは、ストローク、ピストンの厚さ、底部とヘッドの厚さ、接続部の長さの合計です。この長さが機械に収まらないことがよくあります。その場合、ピストンロッドはピストンバレルとしても使用され、2本目のピストンロッドが使用されます。これらの種類のシリンダーは伸縮シリンダーと呼ばれます。通常のロッドシリンダーを単段式と呼ぶと、伸縮シリンダーは2、3、4、5、またはそれ以上の段数を持つ多段式ユニットです。一般に、伸縮シリンダーは通常のシリンダーよりもはるかに高価です。ほとんどの伸縮シリンダーは単動式（プッシュ）です。複動式伸縮シリンダーは特別に設計および製造する必要があります。^[17]

ピストンのない油圧シリンダー、またはシールのないピストンを備えた油圧シリンダーは、プランジャーシリンダーと呼ばれます。プランジャーシリンダーは押し出しシリンダーとしてのみ使用できます。最大力は、ピストンロッド面積と圧力の積です。つまり、プランジャーシリンダーは一般に比較的太いピストンロッドを備えています。

差動シリンダーは、引っ張るときには通常のシリンダーと同じように動作します。しかし、シリンダーを押し込む必要がある場合、シリンダーのピストンロッド側からのオイルはリザーバーに戻らず、シリンダーの底側に移動します。このようにして、シリンダーははるかに速く動きますが、シリンダーが与えることができる最大の力はプランジャーシリンダーのようなものです。差動シリンダーは通常のシリンダーと同じように製造でき、特別な制御が追加されるだけです。

上記の差動シリンダーは、再生シリンダー制御回路とも呼ばれます。この用語は、シリンダーがシングルロッドの複動油圧シリンダーであることを意味します。制御回路には、ピストンの伸長時に、オイルをピストンのロッド側からポンプのリザーバーではなくピストンの反対側に導くバルブと配管が含まれます。ピストンの反対側に導かれるオイルは、再生オイルと呼ばれます。

位置検知油圧シリンダでは、中空のシリンダ ロッドは不要です。代わりに、ホール効果テクノロジを使用した外部検知「バー」がシリンダのピストンの位置を検知します。これは、ピストン内に永久磁石を配置することで実現されます。磁石はシリンダの鋼鉄壁を通して磁場を伝播し、位置信号をセンサーに提供します。