サイドローダー クレーンの油圧スキッド シリンダー: 設計と故障解析

スキッドシリンダは単なるアクチュエータではなく、複合荷重で作動する構造部材です

A サイドローダークレーン油圧スキッドシリンダー アクチュエータと構造ガイドの両方として動作するため、標準的な油圧シリンダとは機能的に異なります。その主な仕事は、中間ブームセクションまたはリフティングフォークアセンブリを運ぶスキッドキャリッジを伸縮させることですが、伸長中、シリンダー本体とロッドは衝撃に抵抗する必要があります。 オフセット荷重によって加えられる曲げモーメント - ブーム延長長と荷重中心距離に応じて、定格リフト容量の 30% ～ 60% に相当する横力を生成できる荷重 。この軸方向荷重と曲げ荷重を組み合わせた状態が、スキッド シリンダと従来のクレーンの純粋な軸方向油圧シリンダを区別するものです。シリンダーのロッド直径、ロッドサポートベアリングの間隔、および内部ピストンガイドリングの設計はすべて、ロッドが座屈したりバレル内でピストンがコックリングしたりすることなく、負荷がかかった状態で直線運動を維持できるように設計されています。これらのいずれかが発生すると、すぐにシリンダーボアに傷がつき、シールの破損連鎖が始まります。一般的な 10 トンのサイドローダーのスキッド シリンダーは、 180バールと250バール 、テスト圧力は 375 bar に達し、シリンダー本体は通常、DIN 2391 または ASTM A519 に準拠し、ボア表面仕上げが 0.2 ～ 0.4 ミクロン Ra の研ぎ加工された冷間引抜シームレス鋼管から製造されます。

座屈を防ぐロッド径とL/R比

サイドローダー クレーンの油圧スキッド シリンダーの最も重要な設計パラメーターは、ストローク長に対するロッドの直径です。シリンダーが完全に伸びると、ロッドは圧縮された円柱となり、 細長比（コラムの有効長さをロッド断面の回転半径で割ったもの）は、適用される荷重に対するオイラー座屈閾値を下回っていなければなりません。 。ストローク 1.5 メートル、ロッド直径 60 ミリメートルのスキッド シリンダーの場合、ピン留めされた状態での細さの比は約 100:1 になります。ロッドアイ端のロッドサポートベアリングが効果的な横方向の拘束を提供する場合、有効長は減少し、ガイドなしのロッドと比較して座屈耐力は最大 4 倍増加します。このため、スキッド シリンダー ロッドは、ブーム構造の内部ガイド レール上を走行するスライド ブロックまたはローラー キャリッジによってその外側の端が常に支持されています。ロッドの端は横方向に自由に動くことができず、このガイド システムは、単なる位置合わせの便宜ではなく、シリンダー アセンブリの耐荷重コンポーネントです。ガイド ブロックが指定されたクリアランスを超えて摩耗した場合、通常は 最大0.5～1.0ミリメートル - ロッドエンドは横方向の自由度を獲得し、コラムの有効長さが増加し、シリンダーは設計された座屈エンベロープの外側で動作します。

クロムめっきの厚さと耐孔食性

スキッドシリンダーのピストンロッドは、最小の厚さまでクロムメッキされています。 標準サービスの場合は 20 ミクロン、海洋または腐食環境の場合は 30 ～ 50 ミクロン 、実際の腐食バリアを提供するニッケル下地層の上に塗布されます。クロム層は耐食性ではなく、微小な亀裂があり、多孔質です。しかし、ニッケルの下地層がスチール基板を密閉します。スキッドシリンダーロッドの表面に錆びの斑点が現れる場合は、クロム層が摩耗し、ニッケル下地層が破れて鋼が露出していることを示しています。この時点では、ロッドは孔食故障の初期段階にあり、伸縮サイクルごとにロッドシールを通して孔食表面が引き込まれ、シールリップが摩耗し、油圧作動油に汚染が導入されます。

シリンダ内部のベアリングとガイドリングシステム

サイドローダー クレーンの油圧スキッド シリンダーの内部では、ピストンがバレル壁に直接接触しません。それは上に乗ります ピストン外径に機械加工された溝に取り付けられるフェノール樹脂またはガラス充填 PTFE ガイド リング。通常は 30 ～ 50 ミリメートルの間隔で 2 つのガイド リングが配置され、その間にピストン シールが配置されます。 。これらのガイド リングは、スキッド シリンダーの複合荷重の側面荷重成分を吸収し、ピストンとバレル間の金属間の接触を防ぎます。シリンダーヘッド端のロッドグランドには、同様のガイドブッシュ (多くの場合、青銅で裏打ちされた PTFE 複合材) が含まれており、横方向の荷重に対してロッドをサポートし、ロッドシールとの同心性を維持します。ガイドリングとバレル穴の間、およびロッドブッシュとロッドの間の隙間は、次のように指定されます。 内径 80 ～ 120 ミリメートルのシリンダーの場合、直径 0.10 ～ 0.25 ミリメートル 。ガイド リングの摩耗によりこのクリアランスが 2 倍になると、ピストン シールが圧力を受けてギャップに押し出され始め、ロッド シールには非同心的な荷重がかかり、その摩耗が促進されます。過酷なコンテナ取り扱い作業におけるスキッドシリンダーのガイドリング交換間隔は、通常 3,000 ～ 5,000 運転時間であり、この時点で、シールに目に見える漏れがあるかどうかに関係なく、シリンダーを分解し、ガイドリングを測定して交換する必要があります。

シール構成とマルチリップロッドシールスタック

スキッドシリンダーのロッドシールは単一の部品ではありません。これは、少なくとも 3 つの機能要素が積み重ねられた配置です。 システム圧力を保持する一次ポリウレタン U カップ シール、一次シールを圧力スパイクから保護し、バックアップ シール リップを提供する二次バッファ シール、およびシール要素に到達する前にロッド表面から汚れをこすり落とす外部ワイパー シール 。微粒子汚染の多い環境、つまり石炭粉塵、セメント、または金属の削りくずが付着したポート領域で動作するシリンダーでは、エラストマー ワイパーでは取り除くことができない結合した破片を機械的に除去するために、ワイパーの前に 4 番目の要素である金属スクレーパー リングが取り付けられる場合があります。シール材料の選択は、作動油のタイプと動作温度によって異なります。標準的なポリウレタン シールの定格は摂氏 -30 ～ 100 度です。 100 度を超える高温用途では、フッ素系シールが指定されています。スキッドシリンダーで最も一般的なシールの故障モードは、ワイパーシールが劣化して汚れがプライマリ U カップに到達し、シールリップとクロムロッド表面の間のラッピングコンパウンドとして機能し、両方に溝が摩耗することです。

ピストンシールと内部バイパス漏れ

ピストンシールは、シリンダーバレル内のピストンに位置し、シリンダーのフルボア側をアニュラス側から分離します。通常、それは ラジアル接触力を提供するエラストマーエナジャイザーリングを備えた PTFE ベースのステップカットシール 、または高圧用途向けのガラス充填 PTFE スリッパ シール。ピストンシールが摩耗すると、作動油がピストンの内部で高圧側から低圧側にバイパスし、その症状は負荷によるシリンダのドリフトであり、コントロールバルブが中立位置にあるにもかかわらず、スキッドキャリッジがゆっくりと後退します。この内部漏れは外部への流体漏れを生じず、目視検査では診断できません。テストでは、ロッドを完全に伸ばした状態でシリンダーに圧力を加え、一定の間隔でロッドの収縮率を測定します。を超えるドリフトレート 定格負荷で毎分 5 ミリメートルになると、通常、ピストン シールの交換が必要であることを示します。 .

作動油の汚染とスキッドシリンダーの脆弱性

サイドローダー クレーンのスキッド シリンダーは水平方向に作動し、この向きにより垂直に取り付けられたシリンダーよりも汚染に関連した特定の故障モードに対して脆弱になります。垂直シリンダーでは、重力により粒子状汚染物がピストン シールから離れたバレルの底部に沈降します。水平スキッドシリンダーでは、 汚染物質はバレルボアの全長に沿って浮遊したままとなり、ストロークごとに粒子がシール接触面全体に引きずられます。 。ロッドは、伸長すると周囲の塵や湿気にさらされ、収縮サイクルごとにロッド表面に付着したものをワイパーシール内に引き込みます。油圧システムの濾過は、流体の清浄度を維持する必要があります。 港湾または産業環境で作動するスキッドシリンダー用の ISO 4406 18/16/13 以上 、リターンラインフィルターが絶対10ミクロンまでの粒子を捕捉します。フィルターバイパスインジケーターが無視されたり、フィルターエレメントが指定された間隔で交換されなかったりすると、スキッドシリンダーシールが研磨粒子と直接接触することになり、きれいな流体で作動するシリンダーと比較してシール寿命が 50% ～ 70% 減少します。

シール損傷を防ぐロッドの真直度と公差

サイドローダー クレーンの油圧スキッド シリンダーのピストン ロッドは、真直度公差を維持する必要があります。公差は指定されることが多いですが、シリンダーの使用後に現場で検証されることはほとんどありません。新品のスキッドシリンダロッドの標準真直度公差は次のとおりです。 ロッドの長さ 1 メートルあたり 0.2 ミリメートル、ロッドの両端を支持した状態でロッドの中間点でのインジケーターの合計読み取り値として測定 。通常、スキッド キャリッジへの側面衝撃や、ブームに過負荷がかかりスキッド シリンダーが部分的に伸びた状態でクレーンを操作することによってロッドが曲がった場合、この許容値を超えます。ロッドが曲がると、ストロークごとにロッド ブッシュとシールに周期的な横荷重がかかり、特徴的な摩耗パターンが生じます。ロッド ブッシュは楕円形に摩耗し、ロッド シールには特定の 1 つのロッド延長位置、つまり曲げ部分がシールを通過する位置でのみ現れる漏れが発生します。ダイヤルインジケーターと V ブロックを使用してロッドの真直度をチェックすることは、交換直後にスキッドシリンダーに原因不明のシール不良が発生した場合には常に実行する必要がある診断手順です。ロッドが曲がっていると、設置から数週間以内に新しいシールセットが破損するためです。

取り付け位置の調整と設計では想定されていない側面荷重

スキッド シリンダーは、クレーンのメイン ブーム構造とスライド スキッド キャリッジの間に、両端のピン付きクレビス マウントを介して取り付けられます。これら 2 つの取り付け点が指定された公差内で同じ軸上に整列していない場合、シリンダは衝撃を受けます。 シリンダに使用荷重がかかっていないときでも、ロッドベアリングとピストンガイドに作用する永続的な横荷重。 。スキッドシリンダーの取り付けの位置合わせ公差は通常、 全ストロークにわたってバレルエンドとロッドエンドの取り付けピン間の同軸度は±0.5ミリメートル 。位置ずれは、最初の組み立て中に発生する可能性があります。また、クレーン構造の疲労、溶接の歪み、スキッド キャリッジ ガイド レールの不均一な摩耗などにより、時間の経過とともに発生する可能性があります。取り付けミスアライメントの診断指標は、真っ直ぐなロッド、清浄な流体、および正しく指定されたシールを備えているにもかかわらず、ロッド シールから漏れが発生したり、ロッド ブッシュが不均一に摩耗したりするシリンダです。修正処置は、ロッドエンドを外し、タイトワイヤーまたはレーザーアライメントツールを使用してストローク中間でピンボアとシリンダー間のアライメントを測定し、シムを作成するか取り付けブラケットを機械加工してアライメントを仕様内にすることです。

オーバーホール手順と重要な分解手順

サイドローダー クレーンの油圧スキッド シリンダーの再構築は、新しく設置されたコンポーネントへの損傷を防ぐ特定の手順に従って行われます。分解を始める前に、 流体の損失や汚染物質の侵入を防ぐために、シリンダーを完全に収縮させ、油圧ラインにキャップをする必要があります。 。ロッド グランドは、グランドのスパナ穴に係合するピン スパナまたは加工済みのレンチを使用して緩めます。グランドが変形して漏れ経路が生じるため、パイプ レンチは決して使用しないでください。ロッドとピストンのアセンブリは、制御されたオーバーヘッドリフトを使用してバレルから引き出され、ピストンは直ちに V ブロックで支持され、ロッドの重量によってピストンのねじ山接合部でロッドが曲がるのを防ぎます。ピストン保持ナットを取り外します。これは多くの場合、ロックタイトで固定されており、外すには摂氏 150 度まで加熱する必要があります。そして、ピストンとグランドがロッドからスライドして外れます。バレルのボアは​​ボアスコープで検査され、傷がつきます。爪で触れることができる 0.5 ミリメートルより深い傷がある場合は、バレルを研磨するか交換する必要があります。新しいシールは専用の取り付けスリーブを使用して取り付けられ、再組み立て中にロッドのネジ山やバレルポート開口部の鋭いエッジによってシールリップが切断されるのを防ぎます。グランド保持ねじ山とピストンナットねじ山は洗浄され、焼き付き防止剤でコーティングされ、グランドはメーカーの仕様に従ってトルクで締め付けられます。 内径 100 ミリメートルのシリンダーの場合 200 ～ 400 ニュートン メートル 。組み立て後、シリンダーは低圧で 5 回サイクルされ、シールが固定されます。その後、外部漏れとロッドのドリフトを観察しながら、全システム圧力でテストされます。

シリンダーの故障と制御バルブの漏れの診断

スキッド キャリッジが負荷によってドリフトする場合、その原因はシリンダー内部の漏れである可能性、またはシリンダーに電力を供給する方向制御バルブにある可能性があります。この 2 つの状態は同じ症状 (キャリッジが静止しているはずのときに動いてしまう) を引き起こしますが、まったく異なる修正措置が必要になります。最終的な診断手順は、 シリンダー隔離テスト: シリンダーに負荷がかかった状態で、シリンダーポートの油圧ラインを切り離し、システム圧力に応じた定格の JIC または ORFS ブランキングプラグでキャップをします。 。ラインにキャップをしたときにキャリッジのドリフトがすぐに停止する場合は、キャップされたシリンダーが圧力を保持しているため、漏れが制御バルブにあります。ラインにキャップがかかった状態でドリフトが続く場合、漏れはピストンシールを越えてシリンダー内部にあります。このテストを実行するには、厳格な安全予防措置が必要です。油圧ラインを切断する前に負荷を独立してサポートする必要があり、ブランキング プラグは圧力スパイクを含むシステム全体の圧力に耐える定格を備えている必要があります。定格の低いプラグや間に合わせのプラグを交換すると、壊滅的な高圧流体の放出が発生する可能性があります。

スキッドシリンダーの寿命を標準間隔を超えて延長する予防メンテナンス

サイドローダー クレーンの油圧スキッド シリンダーの耐用年数は、3 つの予防保守作業の一貫性に直接比例します。まず、 ピストンロッドの露出部分は、交換前に糸くずの出ない布できれいに拭いてください。 、またはクレーンが 4 時間以上アイドル状態になった後。アイドル期間中にロッドに溜まった大気中の塵は、最初の収縮サイクルでワイパー シールに引き込まれ、シール キャビティに蓄積されます。第二に、 作動油フィルタエレメントは、カレンダーベースではなく、差圧表示に基づいてスケジュールに従って交換する必要があります。 - 1,500 時間でバイパス圧力に達するフィルターは、2,000 時間のカレンダー間隔ではなく、1,500 時間で交換する必要があります。第三に、 主要な整備間隔ごとに、ロッドエンドのガイド ブロックのクリアランスを隙間ゲージで測定する必要があります。 、クリアランスがシリンダーメーカーの最大指定値を超える前に、ブロックを交換または調整する必要があります。ガイド ブロックはシリンダーの一部ではなくクレーン構造の一部とみなされるため、この最後の動作はしばしば見落とされますが、その機能はシリンダーの座屈抵抗とシールの寿命に不可欠です。