このコラムの読者の多くは、炭化水素系作動油の粘度が温度に反比例することをよくご存じでしょう。 温度が上昇すると、作動油の粘度は低下し、その逆もまた然りです。 これは、いくつかの理由から理想的な状態とは言えません。 実際、理想的な作動油は、25 センチストークスで Y 軸を横切る水平線で表される粘度指数（温度に対する作動油の粘度の変化）を持っています。
残念ながら、油圧機械の効率や寿命のために、そのような流体は存在しない。 そして、私が生きている間にそのような流体が開発される可能性は低い。 しかし、もしそのような流体が開発され、特許を取得すれば、その開発者は金鉱の鍵を握っていることになる。 今のところ、マルチグレードの油圧作動油がある。 この作動油は粘度指数が高いので、単級油よりも温度変化の影響を受けにくいのです。
意図しない結果
流体粘度は、完全な被膜潤滑を達成し維持できるかどうかを決定する要因の1つである。 負荷と表面速度が一定でも、作動温度の上昇により粘度が動圧膜の維持に必要な値を下回ると、境界潤滑が発生し、摩擦や接着剤の摩耗の可能性が生じます。
一方、油圧システムの性能として、流体摩擦、機械摩擦、体積損失が最適な粘度領域が存在します。 これは油圧システムが最も効率的に動作する粘度範囲であり、入力パワーに対する出力パワーの比が最も高くなる。
以上の点を説明するために、次の例を考えてみよう。 燃費を向上させるために、あるエンジン式移動油圧機械のメーカーは、機械のアタッチメントを駆動する固定容量ポンプを可変容量ユニットに変更しました。 この機械のグランドドライブには、すでに可変容量ピストンポンプ（静水圧トランスミッション）が使用されていたので、アタッチメントの油圧回路をより効率的な構成にアップグレードすることは、機械の設計エンジニアにとって論理的な流れに思えました。 分析によると、燃料消費量の増加は、作動油の温度が30℃低下したことにより、油の粘度が上昇したことに起因していることが判明した。 3312>
この機械では、作動油とエンジンクーラントの両方に2セクションのコンビネーション熱交換器が使用されていた。 また、エンジン冷却水の温度に応じてサーモスタット制御で油圧ファンを駆動し、エンジン冷却を向上させた。
この配置の欠点は、エンジン冷却がサーモスタットに制御され、油圧システムが制御されないため、複合熱交換器を通る空気の流れが完全にエンジン温度に依存することである。 これは、固定容量ポンプを可変容量ユニットに置き換えることによる熱負荷の軽減が、油圧オイルの温度の大幅な低下をもたらしたことを意味し、これは通常良いことなのです。
その結果、テストした改造はオイルクーラーのサイズを小さくすることで、わずかなコスト削減につながると結論づけられました。 しかし、燃料消費は冷却能力のわずかな節約よりも重要であり、オイルをより低い動作温度に保つが燃料消費は増加するポンプにもっとお金を払うという考えは、機械のエンジニアにとって納得のいかないものでした。
- 固定ポンプを可変容量ユニットに交換することにより、油圧システムの熱負荷を減らし（効率を上げ）、
- これにより作動油温度が大幅に低下し、
- 結果として作動油粘度が上昇し、燃料消費が大幅に増加しました。
言い換えれば、作動油が濃すぎると、燃料ポンプや電力メーターでその代償を払うことになるのです。
この試験が両方のポンプ オプションについて同じ周囲温度で実施されたと仮定すると、作動油の温度が 30°C (54°F) 低下したことは非常に顕著です。 これは、機械に設置された熱交換器の組み合わせによるところが大きいと思われる。 作動油の粘度が高くなると、エンジンはより強く働く（燃料をより多く燃やす）ので、冷却ファン（エンジン温度で制御）はより強く動く。 つまり、作動油からの放熱が多くなるため、作動油粘度がさらに上昇する。
この話から得られるもう一つの教訓は、機械設計者とその機械を購入する人々に関連することですが、ほとんどの設計者が油を油圧システムの重要な構成要素として扱っていないことです。 油の粘度、粘度指数、あるいはシステム内の油圧部品に最適な粘度番号は、試験中に考慮されなかったようである。 3312>
油の粘度によって燃費が向上することを発見した後、設置された冷却能力を低下させる可能性を認識し、考慮したにもかかわらず、システムの高効率化（したがって動作温度の低下）に合わせて油の粘度を変更することは検討されなかったようである。
言い換えれば、機械の設計者は、私が油圧機械の「パワー効率のダイヤモンド」と呼ぶものの4つの側面すべてを適切に考慮しなかったのである。 100kWの入力に対して90kWの出力は90％の効率である。 110kWの入力から90kWの出力は82%の効率です。 また、120kWの入力に対して90kWの出力は、75％の効率となる。 なお、3つのケースとも、出力電力は90kWと変わらない。
油圧機械の電力効率ダイヤグラムの象限は、すべて相互に関連しています。 どれか1つを変更すると、ダイヤモンドの対称性に影響します。
油圧機械の電力効率ダイヤモンドの4つの側面は、すべて相互に関連しています; どれかを変更すると、ダイヤモンドの対称性に影響します。
設計効率は、システムに選択したハードウェアの「ネイティブ」効率を反映します。 このハードウェアには、比例バルブ、流量制御、減圧バルブなど、電力を浪費するデバイスの数が含まれます。 また、パイプ、ホース、継手、マニホールドなど、すべての必要な導体の寸法と構成による「設計上の」損失も含まれます。
ダイヤモンドの反対側では、連続入力電力に対する割合としての設置冷却能力が、油圧システムの設計効率または固有効率を反映するはずです。 言い換えれば、本来の効率が低いほど、設置された冷却能力は大きくなります。
設置された冷却能力に隣接するのは、油圧機械が動作する周囲空気温度です。 これは油圧システムの作動油温度に直接影響し、油の粘度を大きく左右し、菱形の出力効率を完成させる。
機械設計者は周囲空気温度をコントロールできないが、この範囲を知っておく必要がある。 しかし、他の3つの変数、設計効率、設置された冷却能力、および油の粘度を決定することはできます(または少なくとも決定する必要があります)。
機械の所有者の視点から電力効率ダイアモンドを見ると、機械が設計、製造され、オイルが充填された後でも、設計効率、設置冷却能力、および周囲空気温度は動く目標であり、動作油粘度に影響し、したがって電力消費に影響することを理解すると役に立ちます。
周囲温度の変化の可能性は、特に機械が気候条件の異なる場所を移動する場合、かなり明白である。 また、設計効率は変化しませんが、実際の動作効率は摩耗や損傷により時間の経過とともに悪化するのが一般的です。 同様に、設置された冷却能力は入力電力に対する割合として経時的に変化しませんが、冷却回路部品の摩耗や損傷、およびエアブラスト熱交換器の場合は周囲空気温度と高度の変化により、その効果は低下します。
したがって、油圧機械をその電力効率の「スイートスポット」に入れるには、情報に基づいた設計が必要です。
そのため、油圧機械をその動力効率の「スイートスポット」に到達させるには、情報に基づいた設計が必要であり、それを維持するには、従属変数の変化を最小限に抑える必要があります。 どちらの場合も、機械設計者と油圧機器所有者の両方にとって、目の前の課題を理解する上で、電力効率ダイアモンドが役立ちます。
Brendan Casey は、移動式および産業用油圧機器のメンテナンス、修理、オーバーホールに 26 年以上の経験があります。 油圧機器の運用コストの削減と稼働率の向上に関する詳細については、彼のウェブサイトwww.HydraulicSupermarket.com。
