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解析事例・インタビュー

株式会社丸山製作所 様
農業用機械の流体制御をシミュレーション品質工学との組み合わせで効率的な開発を実現

農業機械や工業用ポンプなどを設計、製造する老舗企業の丸山製作所。同社ではポンプにおける流体制御解析にSCRYU/Tetra®を活用している。さらに品質工学と組み合わせることで、試作を減らし効率的な開発環境を実現している。

株式会社丸山製作所 千葉工場

図1 日本で初めて発売された消火器(左)と、業界初の乗用水田管理機として日本の農法を大きく変えたハイクリブーム(右)
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 丸山製作所は1895年に新潟県で創業され、農業用機械や防災機械、工業用機械、洗浄用機械などを設計、製造する歴史のある企業だ。農業機械では農薬を散布するための動力噴霧機や果樹園で使われるステレオスプレーヤ、水田や畑で利用する作業車のハイクリアランスブームスプレーヤ(以下、ハイクリブーム)などの製品を展開する(図1)。工業用ポンプは工場での採用をはじめ、身近なところでは冷却のために屋外に配置されるミストや、アミューズメントパークのアトラクションの水を使った演出、また最近需要の高まっている海水の淡水化装置にも同社の製品が採用されている。

 丸山製作所は消火器の製造、販売を行う企業としてスタートした。量産製品としての消火器の製造は日本初となるという。当時の消火器は、ガラス瓶に入れた濃硫酸と重曹を封入しておき、使用するときは割って二酸化炭素を発生させ、その圧力で消火液を噴出させるものだったそうだ(図1)。

  1956年には高速動力噴霧機(強制平弁機構)を開発。従来より大幅なポンプ部分の軽量化、高速化を可能とし、同技術を採用した動力噴霧機のクライスホープ号は大ヒットした。その後、工業用ポンプの開発、ハイクリブームや刈払機、ステレオスプレーヤなどの開発が続く。1991年には日本では最後発としてのエンジン製造会社を設立し、丸山オリジナル2サイクルエンジンを開発した。2004年にはピストンを上下2段に配列させた独特の形状を持つ5連動力噴霧機を開発。これによって吐出液の脈動の低減に成功した。2010年にはこれも最後発の自社開発チェーンソーを発売。2013年には千葉工場にソーラーパネル発電システムを設置した。2015年には創業120周年を迎える。日本全国および海外にも多くの拠点を置き、世界規模での事業展開を進める。同社の持つコアテクノロジーが、創業時から続く防災技術、そしてポンプ技術、エンジン技術だ。この中で特に流体解析ツール「SCRYU/Tetra®」を活用しているのが、ポンプ技術に関連する製品だという。

​図2 圧力調整バルブ部のピストン形状を検討
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図3 バルブ部の流速分布の評価結果
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ポンプ内部の部品形状を検討

 ポンプの噴霧圧力を設定するための部品として、圧力制御弁がある。流体解析を行った例の一つが、この圧力制御弁のピストン形状の検討である。これは上部からのバネ荷重によって流路のすき間を調整し、噴霧圧力を変化させる仕組みである(図2)。圧力を制御するということはすき間を制御するということに等しい。「狭い場所を通過させる場合、なるべく流速は均一にすることが望ましいです」(丸山製作所 千葉工場 量産品事業部 技術部 設計二課の油橋信宏氏)。油橋氏は設計者から、いくつかあるピストン形状のアイデアのうち、どれがよいかと相談を受けて、流体解析ツールで検討することになったという。そこで図3のように、形状Aと形状Bの場合の流れ解析を行った。すると形状Aでは余水口付近に非常に速い流れが見られたため、形状Bを採用した。また実際に検証実験を行ってみたところ、形状Aでは局所的に強い流れが発生したが、形状Bでは問題がなかったという。


図4 ユニフロー式ポンプの構造
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 ユニフロー式ポンプの弁部における流れの評価も行っている。ユニフロー式ポンプは農業用動力噴霧機などに使用されるものだ。弁部には同社が特許を取った強制平弁機構が採用されている(図4)。これは簡単に言うと、自転車のタイヤチューブの空気入れと同じような構造だという。従来のポンプよりも小型軽量で、かつ高速で回転できるのが特徴であるという。

​ この強制平弁機構において、より効率を高めるために内部の形状検討を行うとともに、解析を行うことでその効果を可視化した。従来は吸水弁ストッパーの形状は図5の形状Aのように三角形に近い形状をしていた。流れは三角形の辺上にあるすき間(灰色の部分)から吐出方向に流れる。この形状は加工しやすさなどの理由から採用されて以来ずっとこのままだったが、効率向上の観点から見直しが検討されたという。

千葉工場 取締役 量産品事業部技術部長 松田一郎氏(中央)
千葉工場 量産品事業部 技術部 設計二課 油橋信宏氏(右)
​生産本部 品質ものづくり統括部 品質ものづくり統括課 市川孝氏(左)

図5 ポンプ内の吸水弁ストッパー形状
2種を検討 ※クリックで拡大

図6 解析結果(流速分布) ※クリックで拡大

 新規形状として、図5の形状Bのように円形で内側4か所に穴の空いた構造の解析を行った。流速分布を確認したところ、図6のように形状Aでは下部の非常に流速の大きかった箇所が、約半分の流速になった。「流れがよくなるということは、騒音も低減し、ポンプの効率もよくなるということです」(丸山製作所 千葉工場 取締役 量産品事業部技術部長の松田一郎氏)。実験ではポンプ内部の流れを見たり各場所の流速を測定することは不可能に近い。この解析図は、吸水弁ストッパーの形状変更による性能向上の効果を社内で説明する上で、非常に役に立ったという。

 

 

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