既存のマルチウインチ構成に油圧パワーユニットを統合する方法：5段階のエンジニアリング手順

ステップ1：総流量需要を計算する — 他のすべての計算の基礎となる

私はYining Hydraulic社で15年間、鉱山、港湾、海洋プラットフォームの既存のマルチウインチシステムに油圧パワーユニットを統合してきましたが、最初の計算であるシステム全体の流量需要は、ボルトを1本も回す前に、統合プロジェクトの成否を80%左右する重要な要素です。総流量需要は、すべてのウインチモーターの排気量に最大回転数を掛けただけの単純な合計ではなく、最悪の運転条件における同時最大流量需要であり、通常はウインチの60～80%が最大負荷で稼働している状態を指します。例えば、4基のウインチを使用する係留システムでは、最悪のケースとして、2基のウインチが最大牽引力（船舶の位置決め）で稼働し、3基目のウインチが50%の負荷（張力調整）で稼働する場合が考えられます。HPU（油圧パワーユニット）は、2基のフル負荷状態のウインチと、部分負荷状態のウインチの合計流量を同時に供給する必要があります。

流量計算式：Q(合計) = Sum(Qi)（同時に作動するすべてのウインチの場合）、ここでQi = 油圧モーターの排気量 x RPM / 1000（リットル/分）。Yiningの場合IYJシリーズ油圧ウインチ250 cc/回転のモーターで120 RPMの場合：Qi = 250 x 120 / 1000 = 30 L/分。重要な点として、バルブの漏れ、ホースの膨張、および将来の容量を考慮して、計算された合計値に15%のマージンを追加してください。したがって、HPUは1.15×Q(総流量)で選定する必要があります。流量需要の予測に誤りがあると、10%不足するとHPUは定格速度で全負荷時にウインチに流量を供給できなくなります。20%過剰になると、ポンプのコストが20%増加し、システムの寿命期間中のエネルギー消費量も20%増加します。この計算の精度を高めることで、ポンプ選定コストを5,000～15,000米ドル、年間エネルギーコストを3,000～8,000米ドル節約できます。

によるとISO 4413油圧システムの設計基準では、流体の粘度は温度の上昇とともに低下し、冷間始動時と比較してポンプ内部の漏れが最大15%増加するため、流量要求はシステムの想定される最大動作温度（鉱物油の場合は通常60～65℃）で計算する必要があります。ポンプは室温ではなく、高温油状態で定格流量を供給できるように選定する必要があります。イニン油圧当社のHPU流量計算には、特定の作動油データシートから導出された粘度補正係数が含まれています。

ステップ2：吸引ラインの設計 ― HPU統合における最も一般的で最もコストのかかるミス

吸込配管のサイズ不足が原因で発生するポンプのキャビテーションは、私がYining Hydraulicで診断する現場でのシステム統合不良の中で最も多く、システム統合関連の保証請求全体の68%を占めています。キャビテーションは、ポンプ入口の圧力が流体の蒸気圧を下回ると発生し、流体中に蒸気泡が形成されます。これらの泡がポンプの高圧領域に入り崩壊すると、1,000バールを超える局所的な圧力スパイクが発生し、ポンプ内部表面の金属を侵食します。その結果、シリンダーブロックの表面にピット（穴）ができたり、バルブプレートが侵食されたり、最悪の場合は100～200時間の運転時間でポンプが致命的な故障に至ります。

吸込管流速制限：軸ピストンポンプの場合は最大1.2メートル/秒、ギアポンプの場合は最大0.8メートル/秒。これらの制限値は、一般的な油圧教科書でよく引用される 1.5～2.0 m/s よりも低くなっています。これは、マルチウインチアプリケーションでは、流量の過渡現象 (バルブの切り替え、ウインチの始動、負荷の変化) が頻繁に発生し、瞬間的な吸引速度のスパイクが定常状態の値より 20～40% 高い値になるためです。吸引ラインの直径の計算式は、d = sqrt(4 x Q / (pi xvx 60000)) で、d は内径 (メートル)、Q は流量 (リットル/分)、v は速度 (メートル/秒) です。軸ピストンモーターを備えた 4 つのウインチに 120 L/min のポンプを供給する場合: d = sqrt(4 x 120 / (3.1416 x 1.2 x 60000)) = 0.046m = 46mm の最小内径で、2 インチ公称パイプ (SCH 40、52.5mm ID) または DN50 油圧ホース (51mm ID) に相当します。

追加の吸込ライン要件：吸込ストレーナーのメッシュサイズは125～150ミクロン（これより細かいメッシュは吸込抵抗を増加させ、キャビテーションを促進するため不可）、吸込ラインはできるだけ短く直線であること（曲がりは5回未満、各曲がり半径はパイプ径の5倍以上）、貯水槽はポンプ入口より上に設置し、最低0.5メートルの正圧（重力式入口）を確保するか、貯水槽がポンプより下にある場合はブーストポンプを指定する必要があります。CETOP推奨実施基準RP100によると、吸引ラインの設計は、油圧システム統合において最も安全性が重要な要素である。

ステップ3：マルチウインチ流量分配 - 優先分配弁と比例分配弁

1台のHPUが複数のウインチに電力を供給する場合、流量分配バルブによって、各ウインチが必要な流量を得られるか、あるいは負荷の軽いウインチが負荷の重いウインチから流量を奪ってしまうかが決まります。物理法則：流体は抵抗が最も少ない経路を流れます。流量分配制御なしで2台のウインチを同じHPUに並列接続した場合、負荷圧力が低いウインチの方が流量が多くなります。これは、モーターにかかる圧力降下が小さく、流れが自然と抵抗の少ない経路に流れるためです。実際のシナリオでは、ウインチAが5トン（180バール必要）を引っ張り、ウインチBが0.5トン（30バール必要）で張力をかけている場合、流量制御がないと、ウインチBはポンプ流量の70～80%を受け取り高速で回転しますが、ウインチAは20～30%しか受け取れず停止します。

優先流量分配器（圧力補償型流量制御弁）は、負荷圧力に関係なく優先回路への流量を一定に保ち、余剰流量を二次回路に供給することでこの問題を解決します。30 L/minの優先設定を持つ優先分配器は、0からシステムリリーフ圧力までのあらゆる負荷圧力において、優先ウインチに正確に30 L/minの流量を供給し、余剰のポンプ流量は他のウインチに送られます。これは、個々のウインチの負荷要求が異なり、変動する場合に適切なバルブの選択です。イニン油圧当社のマルチウインチHPUパッケージには、個別に調整可能な優先順位設定を備えた優先流量分配マニホールドが含まれています。

比例流量分配器（ギア式分配器）は、負荷に関係なく、総流量を一定の比率（50/50、60/40など）に分割します。これらは、優先分配器よりもシンプルで安価かつコンパクトですが、すべてのウインチが同時に同様の負荷を受ける場合（同期吊り上げ用途）にのみ適しています。係留、曳航、錨泊などの標準的なケースである、ウインチの独立操作には、優先分配器の負荷に依存しない流量制御が不可欠です。コスト差は、比例分配器が300～500米ドル、優先分配器が800～1,500米ドルです。性能差によって、ウインチが可変負荷下で停止するか、正しく動作するかが決まります。

ステップ4：複数ウインチの圧力安定性を確保するためのアキュムレータのサイズ選定

マルチウインチHPUのアキュムレータは、圧力安定化（複数のウインチ方向弁が同時に切り替わった際の圧力スパイクを吸収する）、流量補給（ポンプが応答する前にウインチを加速させるための瞬間的な流量を提供する）、および緊急エネルギー貯蔵（ポンプが故障した場合に、制御された降下サイクル1回分に十分な蓄積エネルギーを提供する）という3つの機能を果たします。3つの機能すべてに対してアキュムレータを適切に選定します。ガス容量（V0）は、一般的な用途ではポンプ流量10L/分あたり1リットル、波浪による負荷変動によって高周波の圧力過渡現象が発生する海洋用途では7L/分あたり1リットルに増加します。

120 L/min HPUの場合：V0 = 12リットル（一般）または17リットル（船舶）。プリチャージ圧力（P0）は、最小システム作動圧力（P1）の70%でなければなりません。180 bar（負荷時）から100 bar（ウインチ減速時の最小圧力）の間で作動するシステムの場合：P0 = 0.7 x 100 = 70 bar（窒素プリチャージ）。アキュムレータの種類：流量補充用途にはブラダーアキュムレータ（応答速度が速く、25～50ms）、大容量エネルギー貯蔵にはピストンアキュムレータ（応答速度は遅いが、100～200ms、ただし大型サイズも利用可能）。イニン油圧当社のHPUパッケージには、特定の構成における圧力過渡プロファイルに基づいて検証されたアキュムレータのサイズ計算が含まれています。

現場技術者の90%が見落としがちなアキュムレータ設置の詳細：アキュムレータの設置中、かつHPUが稼働している間は、窒素充填キットを使用してガスバルブにアクセスできる状態にしておく必要がある。ガスバルブがHPU筐体の壁の裏側に埋め込まれていたり、下向きになっていたりすると、推奨されている6ヶ月間隔で充填圧力がチェックされず、窒素がブラダーを通してゆっくりと拡散するため（一般的な損失率：月1～3％）、12～18ヶ月以内にアキュムレータの圧力安定化機能が失われます。

ステップ5：システムの試運転と検証 ― 初年度の不具合を防ぐ8時間テストプロトコル

HPUの統合は、システムが負荷条件下で全ての設計上の前提条件を検証する構造化された試運転プロトコルを通過するまで完了したとは言えません。Yining Hydraulic では、マルチウインチ HPU の試運転プロトコルには次のものが含まれます。(1) 無負荷循環 - すべてのウインチを最小負荷で最大速度で 2 時間運転し、流体温度の上昇、フィルター圧力の低下、およびポンプケースのドレン流量を監視します。(2) シングルウインチ負荷テスト - 各ウインチを個別に定格負荷の 100% で 30 分間運転し、ポンプが定格流量を維持し、モーターケースのドレン流量がメーカーの制限 (正常なポンプの場合はポンプ流量の 3～5%、摩耗している場合は 10～15% に上昇) を超えないことを確認します。(3) マルチウインチ同時負荷テスト - 最悪のケースのウインチの組み合わせを定格負荷で 60 分間運転します。(4) 緊急停止および回復テスト - ポンプ停止後、接続されているすべてのウインチの制御された 1 サイクルにアキュムレータが十分な蓄積エネルギーを提供することを確認します。

試運転チェックリストには43の測定項目が含まれていますが、そのうち3つは特に重要です。ポンプケースの排水温度（80℃を超えてはならない）、フィルターの圧力損失（清浄エレメントで0.8バールを超えてはならない）、および個々のウインチの流量検証（各ウインチの圧力ラインに流量計を使用し、測定された流量は設計流量の±5%以内でなければならない）。によると会う鉱山設備の信頼性データによると、構造化された8時間の試運転プロトコルに合格したシステムは、基本的な検証のみで試運転されたシステムに比べて、初年度の故障率が63%低い。

事例研究：中国の港湾における4基のウインチ係留システムへのYining油圧式HPUの統合

2024年、Yining Hydraulicは寧波の主要港で老朽化した電動ウインチシステムを、4台の係留ウインチを駆動する集中油圧動力ユニットに交換する契約を受注しました。既存のシステムは4台の独立した電動ウインチで構成されており、メンテナンス費用は年間45,000米ドルで、熱制限のため60%以上のデューティサイクルで動作させることができませんでした。新しいシステムは、可変容量軸ピストンポンプを駆動する単一の200kW電動モーター（Yining I3Vシリーズ容量160L/分、それぞれ35L/分に設定された4つの優先流量分配弁、70バールに事前充填された20リットルのブラダーアキュムレータ、および150ミクロンのストレーナーを備えたDN50吸引ライン。

18ヶ月間の運用後の結果：メンテナンス費用は年間12,000米ドルに削減（73%削減）、4台のウインチすべてが100%連続稼働が可能、エネルギー消費量は22%削減（可変容量ポンプは、ウインチがアイドル状態のときに流量を減らします。）単一障害点の懸念については、同じ油圧回路にバックアップ用の電動モーターとポンプ、および手動切替弁を設置することで対処しました。バックアップ費用は8,500米ドルで、単一障害点のリスクはゼロです。この統合システム（中央HPUと4つの優先順位分けされたウインチ回路）は、Yining Hydraulic社が複数のウインチを使用する港湾および船舶用途向けに採用する標準的な設計となっています。

調達チェックリスト：HPU統合の見積もりを受け入れる前に確認すべき7つの項目

Yining Hydraulicで15年間現場での統合作業を行った経験から、HPU統合の見積もりを受け入れる前に、すべての調達チームが次の7つの項目を確認することを推奨します。(1) 吸込管の直径 - 標準ポートサイズだけでなく、計算された直径を要求し、吸込速度が1.2 m/s未満であることを確認します。(2) 流量分配バルブ - 独立して動作するマルチウインチシステムには、優先分配器（比例分配器ではない）が指定されていることを確認し、流量設定が各ウインチのモーター排気量と一致していることを確認します。(3) アキュムレータのガス量とプリチャージ仕様 - アキュムレータが過小評価されていないことを確認します。これはHPUの見積もりで最も一般的なコスト削減策です。(4) 熱交換器のサイズ - オイルクーラーは、多くの予算見積もりで指定されている10～15%ではなく、総入力電力（連続運転中の油圧システムの熱負荷）の25～30%のサイズである必要があります。 （５）ろ過仕様 - 戻りラインフィルターは絶対値10ミクロン（ベータ10≧200）以上、サーボまたは比例弁制御システムの場合は圧力ラインフィルターは5ミクロン。 （６）貯水槽サイズ - 空気の排出と汚染物質の沈降に十分な滞留時間を確保するため、ポンプ流量の最低3倍（120 L/minポンプの場合は360リットル）。 （７）試運転プロトコル - 供給者は見積書に書面による4段階の試運転プロトコルを含める必要があり、試運転を一般的な「試運転込み」項目として残してはならない。

At イニン油圧そのため、当社では7つの検証ポイントすべてをHPU統合の見積書に標準付録として含めています。透明性のあるエンジニアリング仕様は、隠された利益よりも優れたプロジェクト成果を生み出すことを、私たちはずっと以前から学んでいます。油圧システムの調達に関する追加ガイダンスについては、以下の記事を参照してください。油圧ウインチの選定そして連続運転用途向けポンプ仕様.

外部参照: ISO 4413 油圧システム · CETOP RP100 · MEETマイニングデータ · DNVルール · SAEインターナショナル · ISO 5001 · CIPSライフサイクルコスト