ポンプのキャビテーションの原因: 症状、根本原因、および予防方法

建設機械の油圧ポンプは、技術者が吸込み側から聞こえる砂利のような独特の異音に気づくまで、わずか 480 時間しか稼働しませんでした。ユニットを開けると、入口部分とポンプ カートリッジに深い穴と粗い表面が見られました。それはキャビテーションであり、部品の欠陥ではありませんでした。キャビテーションは油圧システムにおけるポンプの早期故障の主な原因であり、キャビテーションを引き起こす条件を理解することでほとんどの場合回避できます。

キャビテーションは、ポンプ入口の流体圧力がオイルの蒸気圧を下回ると発生し、蒸気泡が形成され、ポンプ内の高圧ゾーンに押し込まれるときに激しく崩壊します。崩壊により局所的な衝撃波が発生し、金属が浸食され、振動が発生し、最終的にはポンプの破壊につながります。のために 建設機械 これは、計画外のダウンタイムと高額な修理を意味します。交換用のポンプ カートリッジだけでも数百ドルの費用がかかる場合があり、掘削機や油圧プレスのダウンタイムにはさらに費用がかかる場合があります。

キャビテーションとは何か、なぜポンプを破壊するのか

キャビテーションは、あらゆる液体ポンプで発生する物理プロセスです。すべての作動油には温度とともに蒸気圧が上昇します。ポンプの吸込側の圧力がその蒸気圧を下回ると、流体は周囲温度で沸騰し始め、微細な泡が形成されます。これらの気泡がポンプの高圧領域に移動すると、周囲の流体によって潰されます。これらの爆縮は、金属表面に対して微細なハンマーのように作用し、局所的に 1,000 バールを超える圧力の衝撃波を生成します。

利用可能な NPSH と必要な NPSH の間のマージンを、エンジニアは NPSH マージンと呼んでいます。このマージンを健全に保つことが、キャビテーションを防ぐための最も重要な設計ルールです。

この加工によるダメージは独特の表情を持っています。影響を受ける領域、通常は吸引ポート、ベーン カートリッジの入口端、またはインペラには穴があり、触るとザラザラしています。重篤な場合には、金属が完全に欠損していることがあります。ポンプの能力が低下し、騒音が大きくなり、ポンプが完全に焼き付く危険性が高まります。

ポンプにおけるキャビテーションの主な原因

原因を理解することが予防への第一歩です。吸入側原因と吐出側原因の2つに大別されます。以下の表は、最も一般的なものをまとめたものです。

最も一般的なカテゴリは、吸入側キャビテーションです。これは、ポンプが単に十分な液体を吸引できない場合に発生します。最も頻繁に原因となるのはフィルター エレメントです。フィルターが詰まると、フィルター全体の差圧が上昇し、ポンプ入口の圧力が蒸気圧を下回ります。フィルターに少量の汚れが付着している場合でも、この問題が発生する可能性があります。

2 番目に多い原因は、吸引ライン自体です。ラインがポンプメーカーの推奨よりも狭い場合、またはエルボやフィッティングが多すぎる場合は、吸込ライン内の流体速度が上昇し、局所的な圧力が低下します。ポンプがリザーバーのはるか上方に取り付けられている場合も同じことが起こります。吸引揚力は、流体が安全に供給できる量を超えます。

流体温度は、オペレータが見落としがちな隠れた原因です。ほとんどの作動油の蒸気圧は 60°C を超えると大幅に増加します。オイルレベルが低い、またはフィルターが部分的に詰まっている状態でシステムが 70°C で動作すると、設計段階では NPSH 計算が適切に見えた場合でも、キャビテーションが発生する可能性があります。

吐出側キャビテーションはそれほど一般的ではありませんが、依然として深刻です。出口ラインが詰まっている場合、バルブが部分的にしか開いていない場合、または圧力解放設定値がポンプの定格容量を超えている場合、ポンプ要素の圧力が蒸気圧を下回る可能性があります。ピストンポンプや ベーンポンプ 同様に、この状態でも同様の明らかなノイズと損傷が発生します。

漏れた吸​​引ラインからの空気の同伴も、真のキャビテーションの症状を模倣する可能性があります。ポンプが空気を吸入すると、同様の騒音とともにガスポケットが崩壊し、同様の浸食を引き起こします。違いは、根本原因が蒸気圧ではなく空気であることです。すべての吸引ライン接続を検査して締めるという簡単な手順で、多くの誤報を回避できます。

ポンプが故障する前にキャビテーションを検出する方法

キャビテーションは明確な警告を発します。最も信頼できるのは音です。安定した「瓶の中のビー玉」または砂利のようなガタガタ音が聞こえますが、作業量が増えると悪化します。振動は2番目の兆候です。ポンプが 1,800 rpm ではスムーズに動作するのに、2,200 rpm では荒くなる場合は、入口が制限されていることを示しています。

パフォーマンスの変化もよくあります。徐々に流量が低下し、下流側の油圧シリンダーやモーターの動きが新品時よりも遅くなります。ポンプ出口の圧力測定値が変動し、オイルがリザーバー内で泡立つ可能性があります。

サービス間隔中にポンプを開けたら、ポンプ カートリッジを検査してください。多くの場合、内部のベーン セットが最初に損傷を示す部分になります。ベーン先端の穴、ポートプレートの傷、吸引ポートの表面の粗さはすべて、キャビテーションが発生していることを示します。良いニュースは、カートリッジが交換可能なコンポーネントであることです。 T6/T7 スタイルのポンプでは、ポンプ ハウジングを交換せずにカートリッジを交換できるため、修理コストが削減されます。

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実際の油圧システムでキャビテーションを防ぐ方法

予防には、システム設計、運用習慣、メンテナンスの 3 つのレベルでアプローチできます。

システム設計のヒント

• 最悪の条件（オイル温度が高い、フィルターが汚れている、リザーバー内のオイルレベルが最低）の下で NPSHa を計算します。ポンプに必要な NPSHr よりも少なくとも 15 ～ 20% のマージンを確保してください。
• 吸引ラインはできるだけ短く真っ直ぐにしてください。油圧ポンプの場合、吸引ライン内の流体速度は 1.2 m/s を超えてはなりません。必要に応じて、より大きなパイプを使用してください。
• 吸込側の継手、エルボ、バルブを最小限に抑えます。追加の継手ごとに圧力降下が増加します。
• 可能な場合は、吸引フィルターではなく戻りラインフィルターを使用してください。やむを得ずサクションフィルタを使用する場合は、差圧が低くバイパスを十分にとったものを選定してください。
• リザーバー内では、ポンプ入口を覆う液体レベルを維持します。バッフルを使用して、オイルが渦を巻いてポンプ内に空気が引き込まれるのを防ぎます。
• 利用可能な NPSH に適合する NPSHr を備えたポンプを選択してください。 V シリーズのベーン ポンプは、コンパクトなカートリッジと静かな動作を備えて設計されており、吸引に敏感なシステムに適しています。

Vシリーズ低騒音シングルポンプ V シリーズの低騒音イントラベーン ポンプは工作機械業界に適合します。これらのポンプは高圧です。大容量、コンパクトなサイズ、低ノイズレベル、そして長時間の使用が可能です。 製品を見る→

操作習慣

• ポンプはメーカーの速度範囲内で運転してください。ほとんどのベーン ポンプの定格速度は 1,200 ～ 2,500 rpm です。ポンプを継続的に 3,000 rpm まで押し続けると、吸引ラインが正常に見えてもキャビテーションが発生します。
• 液温は40～60℃の範囲に保ってください。機械を連続運転する場合は熱交換器を使用してください。
• リリーフバルブをポンプメーカーの最大圧力を超えて設定しないでください。圧力設定値は、ポンプの理論上の制限ではなく、システム設計に一致する必要があります。
• 負荷が変動する高圧用途の場合、A10VSO シリーズなどのピストン ポンプは剛性の高い設計と優れた高圧耐性を備えています。

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メンテナンスのヒント

• サクションフィルターはインジケーターが作動したときではなく、予定どおりに交換してください。フィルターが 80% 詰まっていても、戻りライン内に十分な圧力を生成できますが、吸入側の圧力降下がすでに十分に高く、ポンプの入口を混乱させる可能性があります。
• 定期点検整備のたびにポンプ カートリッジを確認してください。ベーンの先端に摩耗や穴が開いている場合は、初期の兆候です。
• 油の温度と汚れを監視します。高温と汚れは致命的な組み合わせです。

結論

キャビテーションは、不適切な設計、不適切な操作、または不十分なメンテナンスによる油圧システムの症状です。多くの場合、ポンプ自体は原因ではなく被害者です。入口条件を修正し、オイルを冷却して清潔に保ち、NPSH 要件が実際のシステムに一致するポンプを選択します。それが、キャビテーションによる損傷を排除し、油圧機器の稼働を維持するための最も簡単な方法です。