クローラークレーンの旋回駆動装置が、あらゆるクレーンタイプの中で独自性を持つ理由とは？
クローラークレーンは、アウトリガーなしで動作する唯一の移動式クレーンです。この機械は、重量を分散し、安定性を確保する2つの幅広のクローラートラックの上に設置されています。つまり、 旋回駆動遊星歯車装置 上部構造の回転は、クローラーの形状によって定義される安定性の範囲内で管理する必要があり、この安定性の範囲はブームに対するクローラーの向きによって変化します。
さらに、クローラークレーンは、荷物を持ち上げて吊り下げたまま移動し、旋回機能を維持するピックアンドキャリー作業を行うことができます。走行中に旋回できるクレーンタイプは他にありません。旋回駆動装置は、下部構造が動いている間も作動する必要があり、そのため、動的な地面反力、クローラーのピッチ振動、および変化する地面勾配が旋回トルクの計算に含まれます。
安定性エンベロープは円形ではなく、クローラーのトラックレイアウトに合わせて長方形です。前方（トラック間）の転倒線はトラックの前縁にあり、転倒半径が大きくなります。側面（トラックに垂直）の転倒線は一方のトラックの外縁にあり、半径が小さくなります。荷重表では、クレーンの横方向の容量は前方よりも 20 ～ 30% 低くなっています。旋回駆動装置には、ブームが横向きに近づくにつれてスムーズに減速するスピードランプが必要であり、最小安定性の位置で動的な旋回力が転倒モーメントに加算されるのを防ぎます。
大型クローラークレーンのマルチドライブ構成は、さらに複雑さを増します。200トンを超えるクレーンは通常、単一のリングギアに噛み合う2～4個の旋回駆動装置を使用します。これはTBMカッターヘッドの配置に似ていますが、駆動装置の数が少なく、駆動装置あたりのトルクが大きくなっています。駆動装置は、総トルクを均等に分配するために同期させる必要があります。油圧システムでは、同期はモーターの排気量を一致させ、共通の供給マニホールドを使用することで実現されます。電気システムでは、各モーターに電流マッチングソフトウェアを備えた独自のVFDが搭載されています。駆動装置間でピニオンのバックラッシュ、モーターの摩耗、または油温が異なるために負荷が不均等に分配されると、リングギアの歯の摩耗が不均衡になり、最も負荷のかかる駆動装置の劣化が加速します。マルチドライブクローラークレーンでは、各ピニオンのバックラッシュを毎年測定し、均等化調整を行うことが標準的な手順となっています。
クローラークレーンの組み立てと分解のプロセス自体が、旋回駆動装置に特有の要求を課します。大型クローラークレーンは部品ごとに輸送され、現場で組み立てられます。上部構造は下部構造の上に吊り上げられ、旋回リングを介して接続されます。この接続の際、上部構造と下部構造をボルトで固定する前に、旋回駆動装置のピニオンをリングギアの歯に正確に位置合わせする必要があります。組み立て中に位置ずれが発生すると、初期のギア接触誤差が生じ、クレーンの寿命全体にわたって影響が残ります。組み立て手順には、定格吊り上げを行う前に、最小負荷での旋回回転テストを必ず含める必要があります。これにより、ピニオンとリングのスムーズな噛み合い、ブレーキの適切な作動と解除、および負荷モーメント指示計のエンコーダ校正を確認できます。
上部構造の慣性モーメント ― 移動機器における最大の回転質量
クローラークレーンの上部構造の慣性モーメントは、主に3つの要素によって決まります。それは、ラチスブーム（旋回中心から30～120メートル伸びる）、カウンターウェイト（旋回中心から5～15メートル後方に配置される）、および吊り下げられた荷重（ブーム先端半径）です。これらを合わせると、5,000,000～50,000,000 kg·m2の慣性モーメントが生じます。これは、掘削機（8,000～250,000 kg·m2）やタワークレーンのジブ（200,000～4,000,000 kg·m2）よりも桁違いに大きい値です。
| クラス | 容量（トン） | ブーム（男性） | 慣性モーメント（M kg·m2） | ドライブ | トルク/駆動 |
|---|---|---|---|---|---|
| 軽量（50～150トン） | 50～150 | 30～60 | 5～15 | 1 | 20k～50k Nm |
| 中型（200～600トン） | 200～600 | 50～90 | 15～35歳 | 2 | 40k～80k Nm |
| 重量級（600～3,500トン） | 600～3,500 | 80～120 | 30～50歳以上 | 3～4 | 60k～150k Nm |
カウンターウェイトの質量よりも、カウンターウェイトの位置の方が重要である。 10メートルの位置にある200トンのカウンターウェイトは、200,000 × 100 = 20,000,000 kg·m2 の荷重を寄与します。同じカウンターウェイトを12メートルに移動すると、寄与は28,800,000 kg·m2 に増加します。これは、2メートルの位置変更で44%の増加となります。旋回駆動装置は、平均半径ではなく、最大カウンターウェイト半径に対応できる定格でなければなりません。
大型クローラークレーンの上部構造に蓄積される運動エネルギーは相当なものです。慣性モーメントが30,000,000 kg·m2の500トン級クレーンが1 rpmで回転すると、約165 kJのエネルギーが蓄積されます。これは時速60 kmで走行する自動車の運動エネルギーに相当します。この質量を減速させるには、旋回駆動装置が油圧モーターの背圧とギアの摩擦によって165 kJのエネルギーを吸収する必要があります。オペレーターが停止距離を誤判断すると、上部構造が過剰に旋回します。ブーム半径が30メートルの場合、5度の過剰旋回でフックが2.6メートルずれます。タンデムリフトや狭いクリアランスのある混雑した建設現場では、この過剰旋回によって荷物の衝突、構造物への衝撃、またはリギングの損傷が発生する可能性があります。
ブーム構成と停止距離の関係は非線形です。フルカウンターウェイトの120メートルブームは、カウンターウェイトを減らした60メートルブームに比べて慣性モーメントが約3倍になりますが、ブームが長くなると重心が旋回軸からさらに離れるため、有効慣性モーメントアームが大きくなり、停止距離は約4～5倍になります。短いブーム構成で訓練を受けたオペレーターは、同じクレーンを長いブームに再構成すると、停止距離を過小評価することがよくあります。吊り上げ計画には、各ブーム構成ごとに旋回停止距離の計算を含める必要があり、荷重モーメント計は計算された停止距離をオペレーターにリアルタイムで表示する必要があります。
ピックアンドキャリー旋回 ― クローラークレーンだけが実行できる作業
アウトリガー付き移動式クレーンは、荷物を載せたまま移動することはできません。アウトリガーを格納し、先に荷物を降ろす必要があります。一方、クローラークレーンは、荷物を吊り上げ、吊り下げたまま移動し、移動しながら旋回することができます。これは、モジュールを現場全体に運搬し、所定の位置に回転させる必要がある重工業建設において不可欠です。
ピックアンドキャリー作業中、下部構造が動いている間も旋回駆動装置は正常に作動しなければなりません。クローラーは不整地を通過する際に垂直方向に振動し、旋回リングで1～3度のピッチおよびロール運動が発生します。これらの振動は旋回トルクに動的な要素を加えます。これは、オフショアクレーンにおける波動運動に似ていますが、周波数は低く、クローラーが障害物を通過する際に急激な変化が生じます。
の 旋回駆動遊星歯車装置 静止旋回専用に設計された駆動装置ではベアリングのガタつきやギアの損傷が生じる可能性があるため、地面からの動的な負荷に耐えられるようにする必要があります。ピックアンドキャリー用のベアリング仕様には、静止時の定格の1.3～1.5倍の動的衝撃係数を含める必要があります。これは、クローラーサスペンションを介して旋回リングに伝達される地面の障害物からの一時的な衝撃荷重を考慮したものです。
移動経路の準備は、ピックアンドキャリー作業中の旋回駆動装置を保護する上で最も効果的な方法です。木材マットで整地・圧縮された地面は、準備されていない地面と比較して、衝撃の深刻度を60～80%軽減します。大規模な産業建設現場（製油所、発電所、LNG施設など）では、クローラークレーンのピックアンドキャリー作業の移動経路は、クレーン吊り上げ計画と同様に慎重に設計されます。なぜなら、1,000トンのクローラークレーンの旋回駆動装置が損傷すると、交換部品の調達、輸送、設置に数週間かかるため、重要な吊り上げ作業が遅れる可能性があるからです。
荷物を吊り下げた状態でのピックアップ・アンド・キャリーの速度は、通常0.5～1.5 km/hに制限されます。これは、荷物を吊り下げていない状態での最大走行速度1.5～3.0 km/hよりもはるかに遅い速度です。この速度制限は、吊り下げられた荷物が走行中に振り子のように動き、路面の凹凸によって生じる軌道の振動が荷物の振り子運動も励起するためです。軌道の振動と荷物の揺れが組み合わさることで、旋回リングベアリングに多軸荷重（軌道からの垂直方向の衝撃＋荷物の揺れによる水平方向の力＋オペレーターが同時に旋回している場合は回転トルク）がかかるような、連動した動的システムが形成されます。ピックアップ・アンド・キャリー用途のベアリング選定では、静止状態での吊り上げを支配する主要な垂直荷重だけでなく、同時に作用する3軸すべての荷重を考慮する必要があります。
クローラークレーン旋回駆動装置に特有の3つの故障モード
カウンターウェイトは連続的な転倒モーメントを発生させ、旋回リングボルトに非対称な負荷（カウンターウェイト側に引張、ブーム側に圧縮）をかけます。旋回中、このパターンはリングの周りを回転し、各ボルトは回転ごとに交互に引張と圧縮を受けます。5,000～10,000時間以上、この周期的な負荷により、ボルトのヘッドシャンク半径でボルト材料が疲労します。1本のボルトが破損すると、隣接するボルトの負荷が増加し、連鎖的な破損を引き起こす可能性があります。ボルトの疲労は、200トンを超えるクローラークレーンで最も一般的なメンテナンス上の問題であり、発見されないと最も危険です。破損は通常、ヘッドシャンク半径で始まり、転造移行部（転造ねじボルトの場合）または機械加工ステップ（切削ねじボルトの場合）で応力集中が発生します。転造ねじボルトは、同じ予荷重において切削ねじボルトよりも30～50%高い疲労寿命を持つため、大型クローラークレーンのリングボルトにおいては、転造ねじは製造上の好みではなく、仕様上の要件となっています。また、ボルトの材質も確認する必要があります。以前のクレーンアセンブリから再利用されるボルトは、以前のプロジェクトで蓄積された疲労サイクルがある可能性があるため、再取り付け前に試験（磁粉探傷試験または超音波探傷試験）を行う必要があります。
慣性モーメントが 30 M kg·m2 の場合、1 rpm での上部構造の運動エネルギーは 165 kJ です。旋回駆動部は、油圧背圧とギア摩擦によってこれを吸収する必要があります。ブーム半径 30 メートルで 5 度のオーバースイングはフックを 2.6 メートル移動させます。これは混雑した現場では重大なエラーです。大型クローラークレーンのオペレーターは、ブーム構成 (慣性モーメントが変化) と停止距離の関係について特別なトレーニングを受ける必要があります。ブーム長 120 メートルでカウンターウェイトが最大の場合、同じ旋回速度でも、ブーム長 60 メートルでカウンターウェイトが軽減された同じクレーンの停止距離は約 3 倍になります。
ピックアップアンドキャリー中、クローラーが障害物を通過するたびに、旋回リングに伝わる垂直方向の衝撃が発生します。オペレーターが同時に旋回操作を行っている場合、衝撃荷重と旋回荷重が、ベアリングが耐えるように最適化されていない方向に合流します。繰り返しの衝撃（未整備の地面では1時間に50～200回）により、ブリネリング損傷（軌道面に永久的な凹みができ、ベアリングの騒音、ガタつき、転がり抵抗が増加する）が蓄積されます。損傷は累積的で不可逆的です。ブリネリング痕が形成されると、走行経路が改善された後でも、軌道面の摩耗がさらに加速します。ブリネリング痕の深さによって、損傷が外観上の損傷（0.01 mm未満 - 騒音は発生するが、測定可能なガタつきの増加はない）か構造的な損傷（0.05 mm以上 - 測定可能なガタつきと剥離の加速）かが決まります。 600トンを超える重量物吊り上げ用クローラークレーンでは、表面的なブリネリングであっても、2台のクレーンが厳密な公差内で連携して作業を行うタンデム吊り上げの精度に影響を与える可能性があります。これは、ブリネリングによる凹みから生じるベアリングの遊びが、フックレベルで予測不可能な角度位置誤差を引き起こすためです。
クローラークレーン用旋回駆動遊星歯車減速機 ― よくある質問
韓国のエバーパワー社は、慣性定格ギア、ピックアンドキャリーベアリング仕様、マルチドライブ構成を備えた、20,000～150,000Nmのクローラークレーン旋回駆動装置を提供しています。
編集者: Cxm
