旋回ベアリングボルトの締め付けとトルクレンチ：どちらの方法が鉱山用ショベルのターンテーブルに安定した予圧を与えるのか？

旋回ベアリングにおいてボルトの予圧の一貫性が重要な理由：ベアリングが破損するまで誰も気づかない不均一な荷重の問題

私はYining Hydraulicで15年間旋回駆動システムの設計に携わってきましたが、旋回ベアリングのボルト接合部は、仕様上の意図と現場での施工との間に最も大きな乖離が見られる部分だと感じています。200トン級鉱山用ショベルの旋回台に取り付けられた旋回ベアリングは、直径2～3メートルの円形ボルトパターンで配置された40～60本の高強度ボルト（通常はM42～M56、クラス10.9または12.9）によって固定されます。各ボルトは、指定された予荷重（通常、ボルトの耐荷重の60～70%、M48クラス10.9ボルトの場合は400～600kNに相当）を維持する必要があります。これは、ショベルのディッパーが完全に荷重を受けて伸びたときに発生する転倒モーメントによって、ベアリングレースが取り付け面から浮き上がるのを防ぐためです。予荷重が一定でない場合、ベアリングレースに不均一な接触圧力がかかり、荷重によってレースが局所的に変形します。その結果、「ブリネリング」と呼ばれる状態が発生し、転動体がレース表面に凹みを作り、剥離が始まり、2,000～5,000運転時間以内にベアリングが完全に破損します。

予圧の一貫性の問題：トルクレンチ方式では、ボルトの頭部またはナットにトルクが加えられますが、加えられたトルクと結果として生じるボルトの張力との関係は、ねじ山接触面と頭部（またはナット）下面接触面という2つの界面における摩擦係数に依存します。トルクと張力の関係は、T = K × F × d で表されます。ここで、T は加えたトルク、K はナット係数（潤滑された鋼製ねじの場合は通常 0.15～0.22）、F は結果として生じるボルトの張力、d は公称ボルト径です。問題は、K が一定ではないことです。ねじの表面仕上げ、潤滑状態、ボルトが以前にトルクをかけられたことがあるかどうか（再利用されたねじは表面の凹凸が平らになっているため K 値が高くなる）、ねじ山に異物があるかどうかによって、ボルトごとに異なります。現場条件下におけるK値の変動の妥当な推定値は±15～25%であり、これは同じトルクを印加した場合のボルトの予圧の変動が±15～25%となることと直接的に一致する。d = 48mmでK = 0.18の500kNの予圧を必要とするボルトの場合：T = 0.18 × 500,000 × 0.048 = 4,320 Nm。ボルト円全体でKが実際に0.15から0.22の間で変化すると、同じ4,320 Nmのトルクで410 kNから600 kNの予圧が発生し、最も緩いボルトと最もきついボルトの間で46%の差が生じます。VDI 2230体系的なボルト接合計算基準、トルク制御による締め付けでは、管理された実験室条件下でも予荷重のばらつきは±25～35%に抑えられ、現場条件では通常±35～50%に増加します。

油圧式ボルト張力調整：ダイレクトストレッチが摩擦という変数を排除する方法

油圧式ボルト締め付けは、トルクから張力への変換を完全に省略し、既知の油圧をテンショナーに加えることで、ボルトスタッドを直接引っ張り、弾性的に伸ばします。テンショナーは、ボルトスタッド延長部にねじ込むねじ付きプーラーを備えた油圧シリンダー（テンショナーが掴むためには、ボルトのナット上部の露出したねじ部の長さが少なくともボルト径の1倍以上でなければならない）、接合面に接触するブリッジ、およびボルトが伸びた後にナットを手で締めることができるソケットで構成されています。動作手順は次のとおりです。テンショナーをボルトに取り付け、油圧を規定値（テンショナーの有効ピストン面積から計算可能）まで加え、ボルトを弾性的に伸ばし（一般的な旋回ベアリングボルトの場合、0.1～0.3mmの伸び）、テンショナー本体を通してソケットを使用してナットを指で締め、油圧を解放すると、ボルトは元の長さに戻ろうとしますが、ナットがそれを阻止し、ボルトに規定の予圧をかけます。

油圧式張力調整の予圧精度は±5～10%であるのに対し、トルクレンチ方式では±25～35%となる。精度は、ボルトの張力が油圧によって制御され、その油圧が張力調整ポンプの圧力計またはトランスデューサーによって±1～2%の精度で測定・調整されることに由来します。ボルトの弾性率（合金鋼の場合、ヤング率207 GPa）は、同じ熱処理ロットのボルトであれば±2%以内で一定です。唯一の変動要因は有効締め付け長さ（ナットと最初のねじ山の間のボルトの長さ）であり、これはねじ山のかみ合い深さとボルトのグリップ長さに応じて±3～5%変動します。張力予圧における残差誤差は、以下の2つの要因から生じる。（１）張力解放後のボルトの弛緩（テンショナーを取り外すとジョイントが圧縮され、ボルトの張力が５～１０％低下する。これは張力調整時に５～１０％の過張力をかけることで対処する）、および（２）隣接ボルトの相互作用（ボルト２の張力によってジョイントがさらに圧縮され、ボルト１が弛緩するため、ボルト１の張力が１０～１５％低下する。これは張力調整を３～４回行うことで対処する）。ASME PCC-1ボルト締結部の組立ガイドラインでは、±10%以上の予荷重精度が求められる大径ボルト締結部には、油圧式張力調整が推奨される方法である。

テンションパス：誰もやりたがらないが、誰もが必要とする3-4パスプロトコル

1回の張力調整（各ボルトを円周に沿って1回ずつ張力をかける）では、ボルトを締め付けるたびに接合部が圧縮され、以前に張力をかけられたボルトが緩むため、30～50%の予荷重変動が生じる。メカニズムは次のとおりです。ボルト1に500kNの張力をかけると、ボルト1周辺の接合部が局所的に圧縮されます。ボルト2（ボルト1に隣接）に張力をかけると、ボルト1とボルト2の間の接合部がさらに圧縮され、ボルト1の締め付けゾーンの接合部の厚さがわずかに減少します。これにより、ボルト1の張力が約10～15%低下します。張力が円周に沿って進むにつれて、各ボルトの張力は徐々に低下し、最初に張力がかけられたボルトが最も大きく低下します。円周上のすべてのボルトに張力がかけられた後、通常は初期張力の50～60%まで低下します。

正しい締め付け手順：ボルト円周を3～4回締め付け、最初の締め付けでは最終締め付け力の50～60％で締め付けて接合部を固定し、その後の締め付けでは最終締め付け力の100％で締め付けます。パス 1: すべてのボルトを最終予荷重の 60% (例えば、仕様 500 kN の場合は 300 kN) まで締め付けます。これにより、ジョイントが部分的に着座し、後続のパスでの緩和効果が軽減されます。 パス 2: すべてのボルトを最終予荷重の 100% (500 kN) まで締め付けます。 パス 3: すべてのボルトを最終予荷重の 100% まで再締め付けます。このパスでは、通常、パス 2 で緩和した前半のボルトの張力が 10～15% 回復し、ジョイントが完全に着座したため、パス 3 での緩和効果は 3～5% に軽減されます。 パス 4 (オプションですが、重要なジョイントには推奨): 100% まで再締め付け、締め付けから検証測定までの間にボルトの張力が 5% 以上低下していないことを確認します (利用可能な場合は超音波ボルト伸びゲージを使用)。イニン油圧当社の旋回駆動装置の設置手順には、鉱山機械のすべての旋回ベアリングボルト接合部に対する必須の4段階張力調整手順が含まれており、旋回駆動装置の納品時には、張力調整ポンプ、張力調整装置、および手順書を同梱しています。

ボルトの準備：完璧な締め付け手順を失敗に導く3つの要因

油圧式テンションを使用した場合でも、ボルトの準備段階で生じる3つの要因によって、実際の予圧が規定値の50～70%に低下する可能性があり、これら3つはいずれも現場での設置時に見落とされがちです。要因 1: ねじの潤滑 — ボルトのねじ山とナットのベアリング面は、締め付け中に一定のねじ摩擦を得るために、指定された潤滑剤 (通常は二硫化モリブデンペースト、焼き付き防止剤、またはボルトメーカーが推奨する潤滑剤) で潤滑する必要があります。乾燥したねじ山、または指定された潤滑剤とは異なる潤滑剤で潤滑されたねじ山は、摩擦係数を変化させ、ナットの回転抵抗を変化させ、締め付け解除中にナットが部分的に緩む原因となります。要因 2: ボルトのグリップ長さ — ボルトが適切なばね率で弾性的に伸びるためには、ボルトの頭部と最初の噛み合いねじ山の間のねじ山のないシャンクは、ボルト直径の少なくとも 3 ～ 4 倍である必要があります。グリップ長さが直径の 2 倍未満のボルトはばね率が非常に高いため、同じ伸びに対してより大きな締め付け力が必要となり、弛緩に対してより敏感になります。要因 3: 接合面の平面度 — ボルトの頭部とナットの下の取り付け面は、ベアリング直径に対して 0.1 mm 以内の平面度である必要があります。表面が平坦でない場合、ボルトには引張応力に加えて曲げ応力も発生し、ボルトの有効予荷重と疲労寿命が30～50％低下する。

締め付け後の検証：ボルトの予荷重は、超音波ボルトゲージ（パルスエコー法、ボルトの長さに沿って超音波パルスが往復する時間を測定）を用いてボルトの伸びを測定することで検証できます。張力をかける前後の伸びの測定により、実際のボルトひずみが得られ、これにボルトの断面積とヤング率を乗じることで、実際の予荷重が得られます。これは、取り付け後のボルトの予荷重を直接測定できる唯一の方法です。トルク測定（ブレークアウェイトルクの確認）は、ボルトが張力をかけられた後は予荷重と相関しません。これは、締め付け時の静止摩擦（ブレークアウェイトルク）が動摩擦よりも大きいためです。イニン油圧旋回台の直径が2.5メートルを超える鉱山用ショベルの旋回ベアリングボルトについては、超音波によるボルト伸び検証をお勧めします。これは、不均一な予圧によってベアリングレースの荷重が不均一になり、ベアリングの故障が始まるまで検出できないためです。詳細については、当社のガイドもご参照ください。旋回ギアボックスの統合と取り付けボルト接合に関する追加のガイダンスについては、こちらをご覧ください。

外部参照: VDI 2230 ボルト接合部の計算 · ASME PCC-1 ボルト締結継手 · DNV分類 · ISO 4413 油圧システム · SAEインターナショナル · AGMA規格 · ABSルール

旋回駆動装置の試運転に15年間携わってきた経験から、最後に一つ注意点があります。旋回ベアリングボルトは一度取り外したら絶対に再利用しないでください。全負荷がかかったボルトは、最初の数山で塑性変形を起こします。使用済みのボルトを再締め付けると、塑性変形領域によって有効締め付け長さが増加するため、予測不可能な予圧が発生します。通常、同じ締め付け圧力でも新品のボルトより15～25%低い予圧になります。

旋回ベアリングボルトの仕様、張力調整装置の推奨事項、またはカスタムボルトジョイント設計の検証については、Yining Hydraulicのエンジニアリングチームにお問い合わせください。お客様の特定の旋回駆動モデルに対応した張力調整装置と手順に関するドキュメントをご用意しております。