天井クレーンのワイヤーロープの故障解析と耐用年数に影響を与える要因

ワイヤーロープは、最も広く使用されている吊り上げ部品の一つです。高い耐荷重性、優れた柔軟性、スムーズな動作、そして低騒音といった特長を備えています。ほぼすべての天井クレーンは、荷物の運搬にワイヤーロープを使用しています。ワイヤーロープが故障により突然破断した場合、深刻な事態を招く可能性があります。そのため、ワイヤーロープの故障解析は、安全性と経済性の両面から重要です。本稿では、天井クレーンのワイヤーロープの故障を引き起こす様々な要因を分析し、その耐用年数を延ばすための知見を提供します。

1. 天井クレーン用ワイヤーロープの強度と伸び

設計上、ワイヤーロープの最大破断強度は、構成するすべてのワイヤーの束ね強度よりも低くなります。これは、ロープの構造と、ロープを構成するすべてのワイヤーの性能等級に関係しています。ワイヤーロープを設計する際には、追加荷重、加速、減速、ロープ速度などのすべての荷重要因を考慮する必要があります。また、滑車とドラムの数、構造配置、設置方法、腐食や摩耗の原因となる条件、ロープの長さなども考慮する必要があります。

ワイヤーロープの芯線は通常、炭素含有量0.5%～0.8%の高品質炭素構造用鋼で作られています。ワイヤーロープの弾性率は約1.6×10⁵ N/mm²です。この弾性率は、荷重がかかった際に芯線が伸びる度合いを示します。

ワイヤーロープに荷重がかかると、ワイヤーは互いに相対的に動き、加わる荷重に応じた安定状態に達するように位置を調整します。これにより、2種類の伸びが生じます。ワイヤーロープが初めて荷重を受けると、ワイヤーはわずかに再配置され、構造的伸びと呼ばれる永久的な伸びが生じます。同時に、弾性伸びと呼ばれる回復可能な伸びも発生します。構造的伸びは、加わる荷重の大きさに多少依存します。

ロープを構成するワイヤーの直径が小さいほど、曲げるのに必要な曲げモーメントは小さくなり、ロープの柔軟性は高まります。ワイヤーの本数が多いワイヤーロープや繊維芯ワイヤーロープは、一般的に柔軟性に優れています。ワイヤーの本数が少ない完全金属製のワイヤーロープは柔軟性に劣りますが、一般的に前者は後者よりも伸びが大きくなります。柔軟性が高いほど、破損に対する耐性も高くなります。

2. 天井クレーン用シーブ

メインシーブの寸法は、一般的にロープ溝底部のシーブ直径にワイヤロープ直径を加えた最小巻き取り直径で表されます。 クレーンシーブ ワイヤーロープの直径が小さくなると、曲げ応力とワイヤーロープとシーブ間の接触圧力によって生じる応力が増加します。曲げ応力が高いほど、ロープ内のワイヤーの疲労が速くなります。接触応力の増加は、ロープの損傷とシーブの摩耗も加速させます。

シーブが大きくなるにつれて、ロープとシーブ間の圧力は低下し、曲げの度合いも低下します。曲げ応力だけを考慮すると、6×19ポイントコンタクトワイヤロープの場合、ロープの寿命を延ばすためにシーブの直径をロープ直径の90倍まで大きくすることができます。しかし、特殊な装置を除いて、このような大径のシーブは、次の2つの理由から実際にはほとんど使用されていません。

1. このような大型の滑車は、ほとんどの昇降装置には実用的ではない。
2. 曲げは、あらゆる運転条件において唯一存在する要因であることは稀である。

実際には、ロープの寿命には曲げ以外にも、繰り返し応力、摩耗、ピーニング、衝撃、振動、ねじり、回転速度、ドラムの巻き方ミス、腐食、不十分なメンテナンスなど、多くの要因が影響します。これらの要因のうち1つ以上が、シーブのサイズよりもロープの寿命に大きな影響を与える可能性があります。

最適なシーブサイズは、安全性、経済的な運用、その他の要素を総合的に考慮して決定する必要があります。しかし、ロープの接触点におけるワイヤ間の高圧と、ロープが小さなシーブを通過する際に発生する高い曲げ応力が相まって、ロープの損傷や破損につながる可能性があります。このような不利な条件下では、隣接するストランドの接触点間でワイヤの断線が発生することがよくあります。これらの箇所での断線は、外部検査では検出が困難、あるいは不可能な場合が多いです。

したがって、その他の厳しい安全要件が課せられる機器においては、ロープの損傷過程がより緩やかに進行し、損傷がロープ表面に発生するように、より大きな滑車を選択する必要がある。ロープ表面であれば、損傷の検出と評価が容易になるからである。

3. 天井クレーン滑車ロープ溝

ワイヤーロープが最高の性能を発揮するためには、シーブのロープ溝の直径が、ロープの周囲に適切なクリアランスを確保できるほど十分に大きくなければなりません。ロープ溝の直径は一定ではなく、主にワイヤーロープの種類、そしてシーブの材質と加わる圧力によって変化します。

溝は継続的に摩耗するため、ワイヤーロープの耐用年数が近づく頃には、溝のサイズは通常小さくなっています。これが問題となります。新しいワイヤーロープを取り付けるたびに、溝を再加工するか、シーブを交換する必要が生じるからです。しかし実際には、溝の再加工やシーブの交換は経済的ではありません。

溝を再加工する場合、通常はまずフランジを修理し、次に溝の底を適切な直径に切削します。溝の底だけを切削すると、底に隣接するスロート角度が小さくなりすぎて十分なクリアランスが確保できず、ワイヤロープの摩耗が著しく増加する可能性があります。

4. 天井クレーンのワイヤーロープの圧力

ワイヤーロープは、滑車を通過する際に発生する曲げ応力に加えて、滑車との接触によって生じる半径方向の圧力にもさらされます。この圧力はロープにせん断応力を発生させ、ロープの構造を変化させ、滑車の溝の摩耗速度に影響を与えます。したがって、最適なワイヤーロープ構造を選択する際には、半径方向の圧力の大きさと滑車材料の耐摩耗性を考慮する必要があります。

5. 天井クレーン用ドラム

のです。 クレーンドラム 寸法、溝の形状、圧力は、上記で説明した滑車の条件と同様である。

ドラムの表面が滑らかな場合、ワイヤーロープは片側だけで支えられており、外周部は支えられていないため、実際の半径方向の圧力は比較的高くなります。このタイプのドラムでは、溝付きドラムに比べてロープとドラムの両方の摩耗が激しく、ロープは圧力によって損傷を受けやすくなります。

曲げ応力がワイヤロープの耐用年数に影響を与える主な要因である場合、ドラムの直径はシステム内のシーブの直径よりもわずかに小さくすることができます。これは、一方向への移動中、ロープは各シーブ上で2回曲がりますが、ドラム上では1回しか曲がらないためです。ロープはシーブに近づく際に最初の曲がりが生じ、直線からシーブの曲率に変化します。2回目の曲がりは、シーブから離れる際に再び直線になるときに生じます。

場合によっては、ロープの移動距離が短くなることがあります。ロープの一部が滑車を通過することなくドラム上を往復運動する場合、曲げサイクルの回数が減り、破損の進行が遅くなります。

溝付きドラムを使用する場合、適切な溝形状によって、巻き取ったロープを正しい位置に保持することができます。溝間の適切なピッチを維持することは、隣接するロープの巻き付け部分に十分な、しかし過剰ではないクリアランスを確保するために重要です。これにより、ドラムに巻き取るロープが、既にドラムに巻き取られているロープに押し付けられたり、擦れたりするのを防ぐことができます。

多層巻きの場合、溝の中心線間のピッチは、最大旋回角度においてワイヤロープ同士が接触しないように十分な大きさでなければならない。

6. その他の故障要因

1. 腐食： 腐食はワイヤーロープの破損の一般的な原因です。作業環境によって生じる腐食性雰囲気は、ロープの寿命に大きな影響を与える可能性があります。
2. 衝撃荷重と振動： ワイヤーロープに衝撃荷重を加え、さらに振動を与えると、高周波で大きな曲げ応力が発生する。振動の影響はロープの端部で特に顕著であり、疲労破壊を引き起こす可能性がある。
3. 過度の高温： ワイヤーロープが過度に高温で使用されると、引張強度が低下するため破損する可能性がある。

上記の故障解析から、天井クレーンのワイヤーロープの破損は、複数の要因が複合的に作用した結果であることが多いことが分かります。実際の故障調査においては、これらの要因を総合的に分析し、それぞれの重要度を明確にした上で、主要な故障原因を特定し、ワイヤーロープの耐用年数を延ばすことが重要です。

ゾラ・ジャオ

天井クレーン/ガントリークレーン/ジブクレーン/クレーン部品ソリューションのエキスパート

クレーン海外輸出業界で 10 年以上の経験があり、10,000 人以上の顧客の販売前の質問や懸念事項を解決してきました。関連するニーズがございましたら、お気軽にご連絡ください。

ワッツアップ: +86 189 3735 0200

Eメール zorazhao@dgcrane.com