油圧ポンプの修理　油圧システムの漏れの原因と対処法

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油圧ポンプの修理を行う際には、油圧システムからの漏れが製品の品質に影響を与えるという点を、必ず考慮しなければならないことを理解しておく必要があります。例えば油圧シリンダーの場合、深刻な漏れは装置周辺の環境を汚染するだけでなく、油圧シリンダーの作動室の圧力が低下し、正常に動作できなくなる原因ともなります。より先進的な方法を採用し、漏れを効果的に防ぎ、油圧システムを「ゼロ漏れ」状態にすることは、長年にわたり油圧業界が常に目指してきた目標です。また、油圧システムの漏れが発生する根本的な原因を正確に分析することで、油圧システムの漏れトラブルを迅速に解消するのに役立ちます。 機械工学を専攻する学生として、私たちは「液圧・空気圧伝動」の授業での学習や関連資料の調査に加え、自身の専門実習、工学実験、そして日常生活で見聞きしたことや考えたことを踏まえ、よく見られる漏れトラブルについて、液圧伝動における漏れの形態と原因を分析し、漏れを抑制するための対策を提案した。機械的な伝動と比べて、液圧伝動は新しい技術であり、1654年にパスカルが提唱した静圧伝動の原理に由来する。それは液体を作動媒体とし、エネルギー変換装置によってエネルギーを伝達する駆動形態である。液圧伝動には以下のような利点がある：①作動液を配管を通じて任意の場所に送ることができる；②アクチュエータの配置に方向制限がなく、油管を用いた接続によって駆動機構を柔軟かつ便利に配置できる；③液圧伝動により原動機の回転運動を直線運動に変換できる；④無段階の速度調整を容易に実現できる；⑤負荷制御、速度制御、および方向制御が容易であり、集中制御、遠隔操作、自動制御も簡単に行える；⑥液圧伝動は安定しており振動がない；⑦良好な潤滑条件により液圧部品の信頼性と使用寿命が向上する；⑧液圧部品は標準化、シリーズ化、汎用化を実現しやすい。したがって、油圧伝動は国民経済の各分野で広く利用されている。しかし、油圧伝動にはいくつかの欠点もある：①液体の流れによる抵抗損失、オイルの漏れ、および機械的な摩擦が存在するため、効率が低い；②作動温度の制御に高い要求がある；③作動液体の漏れや可圧性のため、油圧システムの剛性が低く、厳密な伝達比を保証できない；④作動液体の使用やメンテナンスに非常に厳格な要求がある；⑤油圧部品のコストが高い；⑥油圧システムの故障診断や対処が困難で、作業員には高い技術レベルと専門知識が求められる。その中で、作業用液体の漏れは避けられない問題であり、その解決策も様々な業界において研究の重点の一つとなっている。漏れの形態として、流れの方向によって内部漏れと外部漏れに分けられる。外部漏れとは、主に油圧油がシステムから外部環境へ漏れ出ることで、油圧システムの油圧配管、油圧バルブ、油圧シリンダー、および油圧ポンプ（油圧モーター）の外部で発生します。内部漏れとは、高低圧側の圧力差やシール部品の故障などにより、油圧油がシステム内部で高圧側から低圧側へ流れることを指し、例えば油圧駆動において油液が高圧室から低圧室へ漏れることや、切替バルブ内の圧力通路から戻り油通路へ漏れることなどがこれにあたります。漏れの主な形態には、隙間からの漏れ、多孔質部分からの漏れ、付着による漏れ、および動力に起因する漏れなどがある。1. 疎間漏れ　建設機械の油圧システムにおける疏間漏れには、主に2種類あり、固定されたシール部（静止接合面）からの漏れと、動くシール部（動的接合面）からの漏れがある。固定シール部の漏れ箇所は主に、油圧シリンダーのシリンダーヘッドとシリンダーボディの接合部などです。動的シール部は主に、油圧シリンダーのピストンとシリンダーボディの内壁、およびピストンロッドとシリンダーヘッドのガイドスリーブの間です。隙間からの漏れ量は、圧力差や隙間幅などの要因によって決まります。2. 多孔質で漏れやすい油圧部品の各種カバープレートでは、表面粗さの影響により、二つの表面が完全に接触することはない。表面同士が接触しない微細な凹み部分に、断面形状が多様で大きさも異なる多数の隙間が形成され、この隙間の断面サイズは表面粗さに関連している。多くの隙間から漏れが発生し、液体は曲がりくねった多数の隙間を通って流れるため、密封性能試験では一定時間圧力を保持した後でなければ、漏れが現れない。3.付着による漏れ　粘性のある液体と固体アームの間には一定の付着力があり、両者が接触すると固体表面に薄い液体層が付着する。固体表面の膜が厚すぎる場合、油膜は相対的な動きによってシールリングにこすり取られ、付着による漏れが発生する。付着による漏れを防ぐ基本的な方法は、液体の付着層の厚さを制御することです。4. 駆動液の漏れは回転軸のシール面に生じ、もし螺旋加工の痕跡が残っている場合、軸が回転すると、液体は軸の回転力によってその螺旋状の溝に沿って流れる。螺旋痕の方向が軸の回転方向と一致している場合、螺旋痕の「ポンプ作用」によって動力漏れが生じます。動力漏れの特徴は、軸の回転速度が高くなるほど、漏れ量が増えることです。動力の漏れを防ぐためには、回転軸のシール面やシールリングの縁部に「ポンピング作用」を引き起こすような加工痕が残らないようにしなければならない。また、動力の漏れの原理を利用して、螺旋状の痕跡によるポンピング作用で漏れ出た油を再び吸い戻し、漏れを防ぐのである。漏れの原因として、油圧システムで発生する漏れの要因は多く、複雑である。本稿では、主にシール部品の漏れ、作動油の汚染、部品の製造・組立精度の不良、油温上昇による発熱、そして油圧システムの圧力衝撃といった観点から整理し分析する。(1)シール部品について：油圧シリンダーにおいて、漏れが問題となるとまず考えられるのがシール部品であり、これは油圧シリンダーにおいて漏れを防ぐ最も重要な部品だからです。主なものには、YX型シールリング、組み合わせシールリング、U型シールリング、V型シールリング、Oリング、ガスケット、ステルセルなどがあります。その中で、YX型シールリング、組み合わせシールリング、U型シールリングは、主に圧力油の圧力によって張力が生じ、内外のリップが開いてシール効果を発揮するもので、内外のリップの線形質量に高い要求がある。一方、V型シールリング、O型リング、ゲイリング、ステルスシールは、主に圧縮量によってシールを行う。シール部品の物性などの品質は、油圧シリンダ製品の品質に直接影響を与えます。シール部品の漏れの原因は主に以下の点が挙げられます：①シール部品の品質に問題がある。シール部品の材質が劣悪であり、製造工程や精度も要求を満たしていないほか、金型やエッジ処理にも欠陥があるなどです。②シール部品の選定が不適切です。使用されているシール部品が、作業圧力や作業速度、温度などの要件を満たしていないか、またはシール部品の種類が不適切である。③シール部品の取り付け用溝の設計が不適切で、取り付け隙間や圧縮量の選定が合理的でない；対になる部品の加工精度や表面粗さが要求水準に達していない；取り付け時に保護を行わずにリップ部分が損傷したり、外部の異物が混入したりする；保管時の温度や湿度が不適切で、酸素やオゾンによって劣化するなど。④液体中の気泡がシールリップを通過すると、気泡は元のサイズの数分の1に圧縮される。このような気泡がシール部品の非圧力側に到達すると、急速にエネルギーを放出し、シールリップを損傷させる。一方、一定割合の油蒸気を含む気泡が圧力によって十分に高い温度に達すると自燃し、支持リングが焼損または溶融するだけでなく、シール部品の局部的な焼損や炭化が起こることもある。(2) 油液汚染：ガス汚染、粒子汚染、水分汚染などが含まれる。①ガス汚染：大気圧下では、油圧油には約10％の空気が溶解するが、油圧システムの高圧下では、油中により多くの空気やガスが溶解する。油液中に空気の泡が発生し、もし油圧支柱が作動中に極めて短い時間のうちに圧力が高圧と低圧の間で急速に変化すると、高圧側で泡が高温になり、低圧側で破裂する。また、油圧システムの部品表面に凹みや損傷がある場合、油圧油が高速で部品表面に衝突し、表面の摩耗を促進して漏れを引き起こす。このキャビテーション現象によって生じる腐食作用を気蚀と呼ぶ。②粒子汚染：試験台が粒子によって汚染されているため、漏れる可能性は非常に低いが、実際には依然として存在する。油圧シリンダーの使用過程において、上記の理由で発生する粒子の中には、シール部品に付着するものや、動く面に付着してシール部品のシール面を傷つけ、シール部品の機能不全を引き起こし、油圧シリンダーから漏れが生じるものがあります。この種の故障は、きれいに取り除かれていないバリを取り除き、各部品を洗浄し、シール部品を交換することで解消できる。比較的重度な場合には「シリンダーの損傷」が起こり、この故障の解消はかなり面倒になる。さらに深刻な場合には、シリンダーボディが使えなくなってしまうこともある。③水質汚染：作業環境が湿気を帯びているなどの要因により、水が油圧システム内に入り込むことがあります。水は油圧油と反応して酸性物質やスラッジを生成し、油圧油の潤滑性能を低下させ、部品の摩耗を促進します。また、水は制御バルブのバルブステムの粘着を引き起こし、制御バルブの操作を困難にしたり、シール部品を傷つけて漏れを引き起こしたりします。(3)コンポーネントの製造・組立精度の逸脱：すべての油圧コンポーネントおよびシール部品には、厳格な寸法公差や形状・位置公差などが求められる。製造過程で公差を超えた場合、例えばシリンダーのピストン半径、シール溝の深さや幅、シールリングを取り付ける穴やその寸法が公差を超えたり、加工上の問題によって円形が崩れたり、表面にバリやくぼみができたり、メッキが剥がれたりすると、シール部品は変形したり、傷ついたり、圧迫されて機能しなくなったりします。その結果、部品自体に先天的な漏れ箇所が生じ、組み立て後や使用中に漏れが発生することになります。システムの組み立てが粗雑で、減振や防振の対策が欠けている。また、システムを過負荷状態で使用したり、規定通りに定期的に点検を行わなかったり、消耗部品の寿命が来てもタイムリーに交換しなかったりすることも、システムの漏れを引き起こす原因となる。(4)油液の温度上昇が過度に高い：油圧システムが動作している際には、油液の温度をコントロールする必要がある。温度が過度に高くなると、以下のような現象が起こる：①ほとんどの場合、油温が常に60℃を超えると、油液の粘度が**低下し、潤滑油膜が薄くなるだけでなく、摩擦力が増大して摩耗が激しくなる。さらにシール部品が膨張したり老化したりして機能しなくなり、その結果、油圧システムから漏れが発生する。研究によると、油温が10℃上昇するごとに、シール部品の寿命は半減するとされています。②油の温度が上昇すると体積が膨張し、圧力が上昇する。そして圧力が高くなるにつれて漏れも増え、その結果漏れ量が多くなる。③油温の上昇により隙間の膨張収縮が変化する。一般的に、組み合わせる部品の材質が異なると、材料の熱膨張係数も異なります。油温が上昇すると、部品の膨張・収縮の度合いが異なるため、組み合わせ部の隙間に変化が生じます。隙間が広がると、漏れが増加する原因となります。(5) 油圧システムの圧力衝撃：油圧システムにおいて頻繁な方向切り替えにより、高圧状態で急に油ポンプが起動したり、バルブやシリンダーが急速に動作したりすると、一時的なピーク圧力が作業圧力の数倍にも達することがある。時には、これによってシール装置や配管、その他の油圧部品が損傷し、漏れが発生することもある。漏れを抑制する対策が建設機械の油圧システムの漏れを引き起こす要因は、多方面の複合的な影響によるものであり、現在の技術や材料では、油圧システムの漏れを根本的に解消することは非常に困難である。上記の油圧システムの漏れを引き起こす要因に着目し、合理的な対策を講じて油圧システムの漏れをできるだけ減らすしかない。(1) 設計および加工の段階においては、漏れに影響を与える重要な要因であるシール溝の設計と加工を十分に考慮しなければならない。アメリカ自動車工業技術者協会（SAE）は、オイルポートからの漏れを防ぐための以下の2つの解決策を推奨している。①SAE直螺線「O」リング式オイルポート：シールは「O」リングにより、接続は直螺線による；②SAE4ボルトフランジ：より大きなオイルポートに適している。また、シール部品の選定も非常に重要であり、シール面の粗さは通常、静止シール面がRa3.2～Ra1.6、動的シール面がRa0.8～Ra0.4です。最初に漏れの影響要因を総合的に検討しなければ、今後の生産に計り知れない損失をもたらすことになる。(2) 油圧油の汚染防止にあたっては、汚染の発生源に対処し、その制御を強化するとともに、効果的なフィルタリング対策や定期的な油液品質検査を実施する必要がある。外部要因（水、ほこり、粒子など）による油圧シリンダーの汚染を効果的に防ぐため、いくつかの保護策を講じることができる。(3)組み立ての面。油圧システムを組み立てる前に、部品の耐圧性能を検査し、各接合面に外部からの漏れがないかを確認する必要があります。もし漏れが見られた場合は、適切な対策を講じなければなりません。すべての部品に漏れや浸透がない場合にのみ、正式にシステムに組み込んで使用できます。油圧部品や油圧システムを組み立てる際には、厳格な洗浄を行い、バリや溶接スラグを取り除き、必要な防錆処理も施す。また、組み立て工程の要求に厳密に従って組み立てを行い、組み立てによって生じる隙間の変形や、バリ、溶接スラグ、錆などが原因で発生する隙間内の研磨材を防がなければならない。(4)油圧衝撃の低減。一般的な対策としては、①システムの起動・停止、および方向切り替えの頻度をできるだけ低減すること、②頻繁に方向切り替えが必要な油圧システムでは、可能な限りダンパー付きの方向制御弁を使用すること、③制御弁の前にアキュムレータを設置し、衝撃波の伝播距離を短縮して油圧衝撃を緩和すること、④配管の内径を大きくしたり、配管の長さをできるだけ短くしたり、またはゴムホースを使用すること、⑤安全弁を設置し、システムの圧力が上昇した際に負荷を解放して圧力衝撃を軽減することが挙げられる。(5) 機械は慣らし運転中に漏れが発生しやすい。これは、鋳造や加工などによる欠陥の一部が組み立てや調整時には見つけにくいためだが、運転中の振動や衝撃によってその欠陥が表面化するからである。したがって、慣らし運転中の漏れに注意し、早期に発見して迅速に対処する必要がある。(6)技術的な観点から見ると、海外では漏れ量を測定するセンサーを備えた新タイプのオイルシールが製造されている。また、主軸には摩擦シールとメッセンジャーシールの長所を組み合わせたエアシールも登場している。さらに、U字型のゴム部品とV字型のスプリングで構成され、45MPaの圧力に対応可能な液圧システム用の「パンセーシール」など、複合型のシールも広く利用されている。結語　油圧システムにおける漏れの形態は多種多様であり、油圧機器に共通して見られる現象です。その原因もさまざまで、根本的に解決するのは困難です。したがって、設計、製造、設置、使用といったあらゆる面から、丁寧かつ綿密に対処していく必要があります。以上が、私たちが授業で学んだことや関連資料を調査し、自身の専門知識や工学実習、そして日常生活で見聞きしたことや考えたことを踏まえて、油圧伝動における漏れの形態と原因を分析し、漏れを抑制するための対策を提案したものです。