油圧ポンプが激しく振動するのはなぜですか？

油圧ポンプが激しく振動するのはなぜですか？

油圧システムにおける油圧ポンプの激しい振動は、設備保守において一般的でありながらも困難な問題です。この強い振動は、不快な騒音を発生させるだけでなく、部品の摩耗を加速し、配管継手の緩みや亀裂を引き起こす可能性があり、深刻な場合には油圧部品の故障につながり、生産の安全性と効率に影響を及ぼします。建設現場などでのポンプの振動は珍しくなく、その危険性は軽視できません。したがって、ポンプの激しい振動の原因を理解し、迅速にトラブルシューティングを行うことは、油圧システムエンジニアや設備保守担当者にとって極めて重要です。以下では、ギアポンプ、ベーンポンプ、ピストンポンプの実際の応用事例を踏まえながら、技術的原理の観点からポンプの激しい振動の原因を分析していきます。

 

 

• 空気の混入とキャビテーション現象

 

空気が油圧システムに混入すると、油圧油の非圧縮性が低下し、油圧ポンプの運転中にキャビテーションを引き起こして不規則な激しい振動が発生することがよくあります。キャビテーションとは、油中に形成された気泡が高圧部に入ると急速に崩壊し、局所的な衝撃を生じる現象を指します。このキャビテーションは、ポンプに異常な騒音を発生させるだけでなく、金属表面を侵食してスポンジ状のくぼみを作り出し、さらに装置の振動と損傷を悪化させます。空気の侵入経路には、吸油ラインの漏れ、油圧タンク内の油面が低いこと、戻り油パイプの先端が油面に浸かっていないこと、およびポンプ本体のシール不良などが含まれます。特に、ギアポンプの本体や端板の平面度が不足している場合やオイルシールが老化している場合、運転中に空気が吸引されてしまいます。ベーンポンプはギアポンプに比べて（特に小容量のベーンポンプでは）自吸能力が劣るため、スムーズな油の吸入とシールの完全性に特に注意を払う必要があります。ピストンポンプも、要求の高い運転条件下で吸入側への空気の取り込みを嫌います。一度空気が混入して給油が中断すると、重度のキャビテーションによる衝撃や振動が発生する可能性があります。したがって、油圧システムにおいて良好なシール性と正しい油量を維持することは極めて重要です。キャビテーションが疑われる場合は、音と圧力計で判断できます。圧力計の針が異常に激しく振動し、「ザーザー」という音が伴う場合は、油の吸入不良によるキャビテーションを示していることが多く、直ちにポンプの吸入口およびフィルターの詰まりや空気漏れを点検する必要があります。

 

• 油の吸収が困難で、不適切な作業条件。

 

油圧ポンプの不適切な作動条件も、強い振動を引き起こす可能性がある。代表的なケースとして、ポンプが十分な油を吸い込めない状態や、過負荷での運転が挙げられる。油圧ポンプの回転速度が高すぎると、吸油過程が排油のリズムに追いつかず、結果として吸油不足が生じ、ポンプの吸入口に部分的な真空が発生し、圧力の変動を伴う。これが最終的にポンプの激しい振動につながる。簡単に言えば、ポンプが回転しすぎているのに油の供給が追い付かない場合、空回りを起こして振動が発生する。特に歯車ポンプでは、高速運転中に吸油が遅れると、歯間の密閉室で急激な圧力上昇と突然の真空が繰り返され、強い振動と騒音が発生する。そのため、歯車の閉じ込め油による衝撃を緩和するために、通常は歯車ポンプの構造にリリーフ溝（アンロード溝）が設けられている。もう一つのケースは油圧システムの過負荷運転であり、設計上の圧力または流量を超えて長時間ポンプが運転されることで、内部部品に異常な応力がかかり、機械全体の振動を引き起こす。ピストンポンプが高圧・高流量で急激に変化する際、吸油性能が追いつかない場合には、「液柱分離」という一時的な現象も発生し、強い衝撃振動を引き起こす。さらに、油圧油の温度および粘度の変化も吸油性能に影響を与える。低温時の高粘度は吸油抵抗を増加させ、ポンプが timely に十分な油を吸い込むのを困難にする。一方、高温で油が希薄になりすぎると、気体化（油の早期気化）を引き起こす可能性がある。これらすべての要因が、ポンプの油吸い込みを難しくし、振動を誘発する。工学的には、ポンプが定格回転数や定格負荷を超えて長時間運転することは避けるべきである。やむを得ない場合は、回転数を下げたり、油供給を迂回させたりする対策を取り、油圧油の温度が適切に保たれるようにすべきである。ベーンポンプやピストンポンプのシステムでは、高頻度運転時のポンプの吸油需要を確保し、油量不足による振動を防ぐために、補助的な供油ポンプや蓄圧器（アキュムレータ）が設置されることがある。

 

• オイルの粘度と汚染要因。

 

油圧オイルの粘度が高すぎる場合や低すぎる場合は、油圧ポンプの運転中に異常な振動を引き起こす可能性があります。粘度が高すぎると（低温での起動時や高粘度グレードの油を使用した場合など）、油の流動抵抗が増加し、ポンプの吸入側でスムーズな吸込みが行われず、局所的な真空状態が生じてキャビテーションや振動を引き起こすことがあります。一方、粘度が低い場合（油温が高い場合やあまりにも薄い油を使用した場合など）は、潤滑油膜が薄くなり、ポンプ内部の摩擦が増大し、部品の潤滑不良を招いて摩耗や異常振動を引き起こします。したがって、設備の使用環境に応じた適切な粘度グレードの油圧オイルを選定し、システム温度が正常範囲内にあることを確認する必要があります。さらに、オイルの清浄度もポンプの円滑な運転にとって極めて重要です。汚染物質はポンプの摩耗を促進し、可動部が固着することさえあり、振動や騒音の原因となります。特にベーンポンプは精密な嵌合間隙を持つため、油の汚染に対して非常に敏感です。不純物によってベーンの動きが妨げられると、ポンプの吐出圧力が不安定になり、振動が発生します。ギヤポンプに鉄粉などの粒子が混入した場合、歯面に傷がつき、ギヤの偏摩耗が生じ、運転中に歯が噛み合うようなノイズや振動が発生することがあります。ピストンポンプは油の清浄度に対する要求が最も高く、微小な粒子であってもピストンとシリンダーボアの摩耗を加速し、圧力脈動や振動故障を引き起こします。油圧オイルを清潔に保つことで、こうしたリスクを大幅に低減できます。フィルターの定期的な交換や油質の監視を行い、粘度の劣化や過度な汚染を防ぐことが、設備保守担当者の日常業務として重要です。

 

• 機械的設置および構造上の問題：  

 

油圧ポンプの設置状況や内部構造的要因も、激しい振動を引き起こす可能性があります。まず、不適切な取り付けが挙げられます。油圧ポンプの駆動軸がモーター軸と一致していなかったり、カップリングの取り付けが不十分である場合、ポンプ運転中に追加の機械的応力や偏心力が発生し、フレームに強い振動が生じます。多くの現場での事例で、わずかな軸のずれでも高速回転時にポンプが跳ねる原因となり、シールの早期損傷やベアリングの摩耗につながることが示されています。正しい取り付けを行うには、カップリングを使用して軸を正確に合わせ、ポンプの支持部をしっかりと固定します。必要に応じて、防振パッドを追加することも有効です。次に、ポンプ内部部品の製造上の欠陥や摩耗が振動の根本的原因となることがあります。たとえば、歯車の精度が低かったり、歯間隙が小さかったり、ベアリングが摩耗しているギヤポンプでは、運転バランスが崩れ、大きな振動や騒音が発生する可能性があります。ギヤポンプ自体は径方向不平衡力という固有の欠点を持っており、これがベアリングやハウジングに交番荷重を発生させ、設計や組み立てが不適切な場合にはさらに振動しやすくなります。また、ベーンポンプにおいてステータの内面に局所的な摩耗がある場合や、ベーンの弾性が不足している場合にも、ベーンに不均一な力が働き、回転中に振動を引き起こすことがあります。ピストンポンプは複数の高速往復運動部品を含んでおり、個々のピストンやスライディングシューズに摩耗や緩みがあると、衝撃や流量脈動が生じ、全体的な振動として現れます。さらに、ポンプや配管を固定するボルトの緩み、基礎支持の剛性不足なども、通常運転時の微細な振動を増幅させ、肉眼で確認できる「激しい振動」を引き起こすことがあります。したがって、設備の保守時には、カップリング、締結部品、およびポンプ内部部品の状態を点検し、問題のある部品は速やかに修正または交換する必要があります。

 

エンジニアの提案

油圧ポンプが激しく振動する問題に関して、エンジニアは以下の提案を参考までに提供しています。

 

キャビテーションや空気の混入を随時点検してください。異常な騒音や圧力計の針が大きく変動する場合は、まず吸入フィルターの目詰まり、吸入管継手のシールの損傷、タンク内の油面が低いこと、および戻り管が油面内に挿入されているかどうかを確認してください。空気の混入によるリスクを排除することで、油圧ポンプの振動を効果的に低減できます。必要に応じて、ポンプの入口に十分な給油圧力を加える（例えば補助給油ポンプを設置したり、燃料タンクの高さを上げるなど）ことで、キャビテーションを防止できます。

 

運転パラメータを適切に制御する：油圧ポンプの定格回転数および圧力仕様を遵守し、長期間の過速度および過負荷運転を避ける。歯車ポンプなど自吸能力が限られているポンプについては、低温時に低速でアイドリングして機械をウォームアップし、フル負荷運転前に油の粘度を低下させるべきである。これは油の吸入困難による振動を防ぐためである。複数のポンプを組み合わせたシステムでは、圧力脈動を安定させ、ポンプに対する急速な動作の影響を低減するために、並列蓄圧器の採用を検討できる。

 

適切な油を選択し、定期的に点検・交換を行う：周囲温度に応じて適切な粘度等級の作動油を選定し、油が粘りすぎたり希薄になりすぎたりしないようにしてください。これはポンプの吸込み性能や潤滑に影響を与える可能性があります。定期的に油の交換またはフィルターを通した清浄化を行い、清潔な状態を維持してください。特にベーンポンプやプランジャーポンプを使用する装置では、不純物の混入による振動障害を防ぐため、油のろ過および交換計画を厳密に実施する必要があります。

 

設置状態および部品の状態を点検：油圧ポンプとモーターのシャフトが正しくアライメントされていること、カップリングの設置が要求事項を満たしていることを確認し、定期的にポンプのアンカーボルトおよび配管サポートを締め直してください。ポンプ内部で異常摩耗や緩みのある部品が見つかった場合は、速やかに修理または交換を行ってください。ギヤポンプの場合、ギヤおよび軸受の摩耗を点検してください。ベーンポンプの場合は、ベーンとスタトアの適合状態を確認してください。ピストンポンプの場合は、ピストン、スライディングシューズ、および傾斜板の摩耗に注意を払ってください。装置のトラブルシューティングは、外側から内側へ、簡単なものから難しいものへと段階的に行い、問題を早期に発見し、未然に防止できるようにしてください。

 

 

上記の分析から、「なぜ油圧ポンプが激しく振動するのか」ということは、決して解けない謎ではないことがわかります。キャビテーション、油の吸入困難、不適切な作業条件、油の問題、機械的な設置要因などが一般的な原因です。油圧分野の技術者にとって、これらの原理を理解し、予防措置を講じることは、ギヤポンプのノイズや振動を効果的に低減し、装置の寿命を延ばし、油圧システムの安定かつ高効率な運転を確保するために必要不可欠です。油圧ポンプに異常な振動が生じた場合は、装置のトラブルシューティングとして上記の項目を確認することをお勧めします。これにより、原因をすばやく特定し、的確に対処して問題を解決できるでしょう。