「油圧の仕組み」油圧ショベルはなぜ掘れる？現役プラントエンジニアがわかりやすく解説！

ライター／アヤコ

現役のプラントエンジニア。大学では熱流体分野の研究を行い、就職後もプラントエンジニアとして流体に関係する仕事を行っている。流体力学は多くの人が難しいと思い毛嫌いする分野の半面、身の回りの現象は多い。楽しく理解できるよう解説していく。

油圧の原理

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油圧あるいは油圧システムは、油を使用し、小さい力で大きい力を出す、いわゆる「てこの原理」のような動力伝達を行うシステムです。油圧システムは、フォークリフトや、油圧ダンパ、ジャッキ、油圧ショベルなど多くの産業用機械に使われています。まずはその原理を解説しましょう。

パスカルの原理

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てこの原理のような動力伝達システムとはどういうことでしょうか。ここで流体の圧力を応用するパスカルの原理を使います。密閉した容器において、ある面に加えた圧力は他の面でも同じ圧力が生じるということです。

具体例としては、上記のようなに密閉容器に流体を入れ、小さな面（断面積A）にハンドルが付いたおもり（質量Mg）を置き、片側の4倍の断面積（4A）に重さが4倍の車(4Mg)を置くとします。圧力は力を断面積で割った値ですので、大きな面の圧力は質量(4Mg)を断面積（4A）で割りMg/Aです。パスカルの原理により、大きい面の圧力(Mg/A)が小さい面に伝わることになります。小さい面の圧力もまたMg/Aとなりますので、力が釣り合い、同じ高さで静止するのです。因みにもし小さいほうの重さが半分になった場合は、大きい面での圧力と小さい面での圧力がバランスするように、大きいほうが少し下がり、小さいほうが上がるといった高低差ができます。

ここで分かって頂きたいことは、密閉容器おいて重いものであっても、断面積が大きいところに乗せれば、小さい断面積かつ小さい力でも持ち上げられると考えられるのです。

3分で簡単「パスカルの原理」理系ライターがわかりやすく解説

なぜ油？

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パスカルの原理は分かりましたが、なぜ水や空気ではいけないのでしょうか。

主に2つの理由を記載します。1つは作動流体が水であると金属を錆びつかせてしまう危険性があるからです。そのため錆びつかせにくい油が望まれます。次に、作動流体は適度な粘度を持つことです。粘度が高い場合は動作不良やエネルギ―を無駄に消費してしまいます。また粘度が低い場合は油漏れや、金属の摺動部で油膜を形成がされ難くなってしまうのです。そのため、粘度の低い空気は適しません。

油圧システムについて

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どのようなシステムが作られているでしょうか。まずはパスカルの原理て使った図のハンドルをピストンに変え、ピストンを押す力を油圧制御することを考えるのです。これはポンプにより圧力を加えることにします。またポンプが一定の油を供給できるように吸込タンクが必要です。このままポンプだけでは、どんどん車が上昇してしまうので、降下もできるような制御にするため方向弁を設置し、ポンプ保護のために安全弁を設置します。

このシステムでどのような制御をできると思いますか。ケース1は車の高さを変えない時です。タンクから油を吸ったポンプは、方向弁を経由してタンクに戻されます。ケース2は方向弁を切り替え、車を持ち上げる時です。タンクから油を吸い、ポンプにより方向弁を経由し、シリンダーに送られます。これによりピストンが押し下げられ、ピストン下部の油はタンクに戻る循環する流れを作るのです。車が重すぎてポンプの圧力を超えてしまう場合は、安全弁が開き、タンクに油を戻す流れを作ります。ケース3は車を下げる時です。これは方向弁を切り替えるだけで、流れはケース2とほぼ同様となります。

油圧ショベルの仕組みについて

Hans Haase: Innenansicht, Farben und Zusammenstellung, 4028mdk09: Außenansicht - 投稿者自身による作品, CC 表示-継承 3.0, リンクによる

油圧ショベルの主な構成は、走行装置（図の紫）、操縦装置およびアーム部の3か所から構成されます。アーム部は、上下に動くブーム（人間でいうと肩、図の青）と前後に動くアーム（人間でいう肘、図の緑）、および掘削するバケット部（人間でいう手、図の赤）の構成です。エンジンは3つの油圧ポンプと連結してます。その中の主にポンプ2つが、高圧（最高約35MPa）でアーム部、旋回モータ、走行装置などに送油しており、3つ目のポンプは低圧（約5MPa）ですが、操縦車が方向弁の切替えに力を使わないよう、方向弁の切替に使われるのです。それぞれのポンプのシステムは上記の原理と同様に、タンクから油をポンプが吸い込み、操縦装置で方向弁が切り替えられ、対象のシリンダやモータに送油されます。方向弁にはタンクに戻す配管が設置されており、安全弁を経由しタンクに油が戻る循環システムの構成になるのです。

まとめると油圧ショベルの仕組みは、油圧ポンプにより対象部品に送油し、タンクに油を戻すシステムがアーム部を制御し、掘削が可能になります。

「油圧の仕組み」について理解を深めよう

この記事では「油圧の仕組み」について油圧の原理、システム、そして油圧ショベルの仕組みについて説明しました。油圧システムはパスカルの原理を使い、てこの原理のように小さな力で重たい物を動かす仕組みです。そして油は水よりも金属を錆び難く、機械にとって扱い易い流体になります。そのシステムの主な構成は、タンク、油圧ポンプ、方向弁を使い、シリンダー部などに送油しており、ポンプ圧力を超える重たすぎる物を持った時はポンプの故障を防止するため、安全弁が設置されているのです。油圧システムはいわゆる小さなプラントの構成のイメージになります。この記事を読み、油圧機械に興味を持つことや、油圧の理解を深めて頂けたら幸いです。