高圧油圧用シールシステム

バルカー技術誌

Winter 2016
No.30

1. はじめに2-1）
ピストン部のシールシステム構成

高圧で使用する油圧シリンダとして代表的なものとしては、る。

ピストン部はFigure2で示す構造とシールで構成されてい油圧ショベルの油圧シリンダがある。建設機械の多くを油圧ショベルが占めており複雑な作業が可能であることから、様々な工事に使用され、災害による復興作業にもおおいに貢献している。油圧ショベルは近年、地球温暖化防止、環１）境への負荷低減への活動が行われており、省エネルギー化、クリーン化が進みシステムの効率化、機器類の小型化などによる軽量化が進められてきている。油圧ショベルには、掘削作業を行うための油圧シリンダが使用され、この油圧シリンダのシールは、様々なエラストマー製品が使用されており重要な役割を果たしている。油圧シリンダは油圧ショベルの改

Figure2 ピストン部のシールシステム構成①スライドリング良とともに改良され高圧化に伴う温度上昇等で使用条件が油中に含まれる異物などがピストンシール部に侵入するの過酷になってきており、シールには、より耐圧性、耐摩耗性、を防止する。主に材料はPTFE（四ふっ化エチレン樹脂）

２）
耐熱性の向上が必要となってきている。
また、環境への負荷低減としてシリンダからの油の外部漏れを抑制するため密封性の向上も必要となる。
本報では、この度、当社が開発した高圧領域用のシール技術、及び製品の紹介をする。

が使用されている。
②ウェアリング
シリンダ作動時のピストンの軸受機能を果たす。主に材料は布入りフェノール樹脂が使用されている。
③ピストンシール
シリンダを作動させるためのメインのシールであり、摺動リン

2. 油圧シリンダ用シールの構成例

グ、バックリング、バックアップリングの複数の部品から構成されている。

油圧ショベルの油圧シリンダのような高圧用シリンダには、一般的にFigure1で示すような複数のシールと部品が使用されている。

ロッド部はFigure3で示す構造とシールで構成されている。

Figure132-2）ロッド部のシールシステム構成

油圧シリンダの構成

Figure3 ロッド部のシールシステム構成

技術論文

吸い込み特性はリップの形状ではなくヒールの内径側の形状④バッファリング
初期の高圧を受けることでメインシールであるロッドシールに関係するという仮説をたて検証を進めてきた。ヒール形状への負荷を抑制するためのシールでありバックアップリングが吸い込み特性に影響を与えるという仮説に至った経緯をが併用される。

述べていく。初期評価として当社の標準的なUパッキン（UHR）の高圧シリンダへの適合性の評価をFigure6で実施⑤ロッドシール（Uパッキン）
油を密封するためのメインのシールであり、油をシリンダのしたところ、外部漏れが多く発生し適合は困難という結果と外部に漏れさせないための、重要なシールでありバックアッなった。

プリングが併用される。
⑥ダストシール
外環に金属を使用し、ハウジングに圧入する構造を採用しており、外部からの異物、土砂などをシリンダの内部に侵入させないためのシールであり、ロッドシールからの微小な条 件
押し工程 50MPa、引き工程 0.6MPa

試験速度

押し工程約 116mm/s、引き工程：142mm/s

ストローク440mm

支持姿勢

水平試験距離30km

試料

UHRとダストシール（DHS）を装着し評価バルカー技術誌漏れを防止する機能も同時に果たす。

項 目
試験圧力

この様に油圧ショベルの油圧シリンダのような高圧用シリンダには多種の製品が使用されており、当社では新たに高圧シリンダ用のシールとしてラインアップしている。次章から油の外部漏れに対して重要なシールであるロッドシール（Uパッキン）に関する技術について述べる。

Winter 2016

3. ロッドシール（Uパッキン）の技術開発
シリンダが作動する際に、シールと相手面の間に油膜が発Figure6

標準的なU パッキンの評価生する。この油膜は、油の漏れに密接に関係している。ロッドシール（Uパッキン）からの油の漏れはFigure4のシリンダの引き工程の際に油膜がシリンダに戻せないために起こるとさNo.30

れている。シールが油膜をかきとることでシリンダ作動の繰り返しによって油膜をシリンダに戻しきれず外部漏れになると考えられる。一般的にシールの密封性には吸い込み／かき出しの特性が密接に関係しており吸い込み特性が良いものが密３）
封性が良好なシールとされている。

このロッドシールの油膜の吸い込み特性はFigure5のリッFigure7

プの形状や相手面へ接触する応力勾配の大きさで決まり、ヒール側よりリップ側の応力勾配が大きいことが吸い込み特

当社の標準的なUパッキンのヒール形状はFigure7の形状をしており内径側のヒール形状が C 面取りである。この形状

３）性が良いとされる。

このように、密封性はシールのリップとその接触状態が密接に関係しているとされているが、当社が開発したシールは

Figure4 シリンダの作動

FEM 解析

Figure5 リップの応力勾配の場合、FEM 解析（有限要素法解析）Figure7の結果から面圧分布が Figure8の分布となる。

Figure8

標準 U パッキンのヒール形状、面圧分布
4高圧油圧用シールシステム

この面圧分布からヒールのC 面取り部に面圧のピークが発

この漏れ量の差は標準的なUパッキンの形状 Figure8の生していることがわかる。当社は密封性に影響するのは、こヒール部のC 面取りの部分が油をシリンダに戻す際の抵抗とれまでの技術及び経験からリップカット時のカット角度も密封なり、吸い込み特性を悪くしていると考える。対し、Figure9性に影響すると考えられていたこともあり、密封性を確認するの形状は、FEM 解析の結果からヒール部に面圧のピークがためリップの角度とFigure8の内径ヒールのC 面取り部の面発生しておらずブロードの面圧分布を示している。この面圧圧のピークに着目しヒールの形状も複数にてTable1に示す分布にするためにはFigure9で示しているヒール部のRとa及条件下で評価した。

びθが重要となり、このヒール形状を最適値に設定することでTable1
項 目

形状の違いによる密封性の評価
条 件

試験圧力14MPa

シリンダ

140H-8D

吸い込み特性の良いシール、すなわち密封性の良いシールが開発可能であることが検証出来た。

4. 高圧シリンダ用ロッドシールへの技術展開

バルカー技術誌

試験速度300mm/s

ストローク300mm

支持姿勢

水平

た技術を実際に高圧シリンダ用のシールとして高圧シリンダの試験距離1,000km

仕様に耐え得るパッキンへの技術展開及び評価による検証

試料

ダストシールは装着せずUパッキンのみ装着し評価を実施した。シールの形状はFigure9のヒール部を基本とし前章までは基礎的な技術開発及び検証であり、前章で得吸い込み特性を重視し、更にロッドシール自体の密封性も向Winter 2016

複数の形状で評価した中でFigure9に示す形状が、漏れ上できるリップ部を最適な設計とした。しかし、形状だけでは量が最も少ない結果が現れた。この結果から、リップカット角仕様に耐えられるシールの開発が達成できないことがFigure度よりも内径部のヒールの形状が吸い込み特性に影響を与6の標準的なUパッキンの評価結果から得られている。そこえていることが実証された。両者の漏れ量をFigure10に示で、シールの材料を標準のR5590ではなく、圧縮永久ひずみす。両者では漏れ量の差が明確に出ている。

特性に優れたR6390を適用した。
R5590とR6390の物性の比較をTable2に示す。R6390はR5590より圧縮永久ひずみが良く耐熱性４）に優れていることから高圧シリンダの過酷な温度条件においても使用可能、かNo.30つ、長寿命化が図れると考えた。

Figure9

開発品のヒール形状、面圧分布

Table2

R5590とR6390 の物性比較

項 目

単常態物性位

R5590

R6390

8993

硬さ

JIS A

引張強さ

MPa

4142

伸び％

420

510

100％引張応力

MPa

912

硬さ変化

Point-1±0

引張変化率

％

+32+25

伸び変化率

％

+11+5

圧縮永久ひずみ（80℃×70h）％

4022

空気老化試験
120℃×70h※本データは規格値ではない。

4-1）FEM 解析による机上評価
FEM 解析によりシールが異常変形を起こさないか、ヒール
Figure105

標準的なU パッキンと開発品（Figure 9）（ヒール形状の違い）
による漏れ量の比較

部にピークが発生しないかを評価した結果、問題ないことを
Figure11で確認出来ている。

技術論文

Figure13

開発品の FEM 解析結果

バルカー技術誌

Figure11

開発品の外部漏れ評価結果

4-2）模擬シリンダによる耐久評価
模擬シリンダにより密封性の評価を実施した。評価は、シリンダからの外部漏れと、ピストン部に装着されるシールから漏れが発生した場合、シリンダが正常に作動しなくなる内部漏れにおける、外部漏れ量をFigure13、ピストン部の内部漏れ量をFigure14に示す。耐久評価後のいずれのシールも密封性

Figure14Winter 2016

（圧力保持状態）を実施した。Figure12の500km 耐久試験
開発品の 500km 試験後の内部漏れ評価結果に影響を与えるような異常はみられず十分に継続使用が可能な状態であることから密封性、及び耐久性において問題

4-3）模擬シリンダによる耐圧評価
模擬シリンダにより高圧力負荷時のシールの耐圧性を評価ないことが確認出来ている。
項 目条 件するため、
Figure15の耐圧評価を実施した。結果は50MPa

試験圧力37.2MPaの高圧負荷の100 万回の繰り返しに対して、いずれの製品も逆圧（背圧）19.6MPa

シリンダ

模擬シリンダ

試験速度400mm/s

ストローク400mm

支持姿勢

水平試験距離500km

Figure12

開発品の耐久試験条件、試験機密封性に影響を与えるような異常はみられず十分に継続可能な状態であることから耐圧性に関しては問題がないことが確認出来ている。
項 目条 件

試験圧力50MPa

加圧サイクル

約 2 秒毎

試験回数

100 万回

Figure15

開発品の耐久試験条件、試験機
6No.30高圧油圧用シールシステム4-4）模擬シリンダによる環境評価
模擬シリンダにより低温環境下に始動させた場合を想定し油漏れが発生しないかの確認、及び高温環境下の作動を想定しシリンダからの外部漏れとピストン部の内部漏れ（圧力保持状態）の評価をそれぞれ恒温槽 Figure16を使用し低温評価はTable3、高温評価はTable4で実施した。低温評
価における始動時の油漏れは発生せず密封性は問題がない結果となった。高温評価においては外部漏れが Figure
17、ピストン部の内部漏れが Figure18の結果であり評価後のいずれの製品も密封性に影響を与えるような異常はみられず十分に継続使用が可能な状態であることから密封性及びFigure17

高温評価の外部漏れ評価結果

高温環境下での使用に問題ないことが確認出来ている。

バルカー技術誌

Winter 2016
Figure16
Table3No.30

低温評価条件

項 目

条 件

試験圧力

37.2MPa

逆圧（背圧）

19.6MPa

シリンダ

模擬シリンダ

試験速度400mm/s

ストローク

400mm

支持姿勢

水平試験距離

100m

環境温度

-20℃

Table47

恒温槽

高温評価条件

項 目

条 件

試験圧力

37.2MPa

逆圧（背圧）

19.6MPa

シリンダ

模擬シリンダ

試験速度400mm/s

ストローク

400mm

支持姿勢

水平試験距離

100km

環境温度

110℃

Figure18

高温評価の 100km 試験後の内部漏れ評価結果

以上にて新たな技術を取り入れて開発した各種シール、及び部品は十分な性能を有することが確認出来ている。
4-5）製品ラインアップ
当社はシール製品としてTable5をラインアップしており、使用している材料も汎用樹脂などを採用することでコストダウンを図っている。
Table5
シールシステム製 品
バッファリング

ロッド部

ロッドパッキンダストシール
ピストンシール

ピストン部

ウェアリングスライドリング

製品ラインアップ
呼び番号

材料・特徴

URBF
40 ～ 150
URHP
40 ～ 150
DSB
40 ～ 150

R6395
ロングライフグレード
R6390
ロングライフグレード
R5590-S
特殊グレードPTFE：摺動リング
CPL
NBR：バックリング
80 ～ 215
ナイロン：バックアップリング
WPG
ガラス入りナイロン
80 ～ 215 強化グレード
SRPG ガラス入りナイロン
80 ～ 215 強化グレード

問合せ先：シール営業本部 テクニカルシールソリューショングループ 村木 弘昌

技術論文

5. おわりに

6. 参考文献

今回、紹介した高圧シリンダ用のシールシステムは、当社

１）下 垣内 宏 , 油圧ショベルの技術動向 , 建機の施工企画

が技術開発で得たノウハウ、技術を用いて高圧領域で使用

2007.01.25できるよう開発した製品であり、かつ、当社のグローバルに展

２）清水 考悦 , シール技術の最近の動向 油圧機器用パッキ

開した生産拠点を活用しコストダウンを行った製品でもある。

ンの技術動向 , 潤滑経済 2012.07.05

既に数社で油圧ショベルの油圧シリンダで採用頂いてい３）これでわかるシール技術 , 工業調査会 1999.12.10４）
中野 健次, バルカーレビュー第38 巻第4 号, タフレタン® 新る。油圧ショベルの油圧シリンダ以外にも高圧領域でのシリンダでも十分な性能を発揮できるものと考える。

シリーズ, 1994.45-1）用途例
・油圧ブレーカー

・圧延機

・高圧用特殊シリンダ（Abstract）

Hydraulic shovel is a typical application of high pressure hydraulic cylinder. In construction machinery, hydraulic shovel has
been used in the various types of construction work, and also contributed for restoration work after disaster. Valqua hasprovided sealing products for general purpose cylinders, however, less for high pressure cylinders. In this paper, our newinﬂuence the sealing performance, and the stress gradient with the contact surface which related with lip shape of sealing
is known important factor in the suction behavior. We found the inner side heel design of sealing was more effective for
improvement in suction behavior than its lip shape. The new type of sealing product for high pressure cylinder usage has
been developed through combination with new design technology and low compression set elastomeric material in Valqua.
Keywords:

Winter 2016

products and technologies for high pressure cylinders were shown. In general, their suction/scrape behaviors are known to

バルカー技術誌・プレス機

No.30

hydraulic cylinder, sealing products, high pressure cylinders, suction behaviors, compression set（摘要）油压挖掘机上的油缸是有代表性的高压用油缸。油压挖掘机也是建筑机械的主力机型，用于各种工程的施工，也为受灾后的重建做出了重大贡献。本公司虽然拥有通用油缸的密封技术，但是在高压领域的密封技术还有所欠缺。本文介绍了本公司研发的高压领域用密封技术及产品。一般来说油封的密封性与其吸入性/挤出性密切相关，唇口部的形状和接触面的应力梯度对
吸入性来说比较重要。但是本公司通过研究后发现，内径侧跟部的形状对吸入性也有影响。将这种技术应用到高压油缸用的油封中，结合本公司压缩永久变形特性优异的材料，成功研发出在高压领域中使用的油封。
关键词：
油缸、密封、高压领域、吸入性、跟部的形状、压缩永久变形

山下 純一
研究開発本部 開発部
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