クレーン用衝撃吸収装置

Q: クレーン用衝撃吸収装置のストロークはどう算定しますか？

まずエネルギーを概算評価します。 S ≥ m_eff v_rel² / (2 μ η W_ref (ψ_allow − 1))ここで μ はストロークの使用可能割合、 η は力とストロークの曲線が占める割合です。次に、設定された力とストロークの曲線、およびクレーン、ワイヤー、吊り具の剛性を使って実際のピーク荷重を確認します。

クレーン用衝撃吸収装置はフックの下に直列に取り付け、杭の急激な沈下や吊り上げ開始時の急な荷重といった衝撃を、ストローク全体で制御された力に変えます。その仕組み、必要なストロークの算定方法、杭とハンマーの合計移動質量が1,500 tとなる杭の急激な沈下事例で得られた結果を説明します。

執筆： Tord Martinsen、CEO · 2025年10月 · 2026年9月更新 · 読了目安9分

連結ピン、シャックル、スラックアレストスリングを備えたPOLARIS衝撃吸収装置。

要点

クレーン用衝撃吸収装置は、フックと荷の間に直列に取り付ける、ガススプリングを備えた油圧シリンダーです。荷が急に引かれる、落下する、または急激に移動すると、装置がストロークし、ライン張力の急上昇を抑えて設定値付近に保ちます。
吸収すべきエネルギーは動く荷の運動エネルギーで、利用できる力は許容ピーク荷重から静荷重を差し引いた分です。ストロークによって、このエネルギーと力を結び付けます。
概算評価では、使用可能なストロークを90 %、力とストロークの係数を0.5、許容DAFを1.3とすると、3.13 m/sで作用する荷には約3.7 mのストロークが必要です。
杭とハンマーの合計移動質量が1,500 tで、杭が5.0 m/sで急激に沈下する条件を比較したCONSTELLATION解析では、POLARIS使用時のフックDAFは1.43で、剛結合時の2.28より低く、6.0 mのストロークのうち4.98 mを使用しました。

ヒーブ補償装置は波による繰り返しの動きに対応します。衝撃吸収装置が扱うのは単発の事象です。クレーンがハンマーを保持している間に杭が軟弱層を急激に通過する、作業船の甲板から荷を吊り上げる際に船が下降して荷が急に引かれる、緩んだスリングが急に張る、といった場合です。装置がなければ、ワイヤーと吊り具の伸びだけで動きを止めることになります。その伸びは小さいため、力が大きくなります。

衝撃吸収装置の働き

吊り荷が安定している間、装置は吊り具の連結部として静荷重を支えます。荷が急に引かれる、落下する、または急激に移動すると、装置がストロークします。まずガススプリングが衝撃を受け、次に設定圧力で弁が開きます。ライン張力は設定値に向かって上昇し、動く荷が停止するまでその付近に保たれます。事象のエネルギーはクレーン、ワイヤー、吊り具に作用する力の急上昇ではなく、作動油の熱になります。

図1。 衝撃吸収装置による事象エネルギーの吸収。ライン張力は静荷重から上昇し、ストロークの一部で増加した後、荷の減速に伴って低下します。この概算評価の設計点では、荷は使用可能なストロークの終端で停止します。静荷重より上の単色の着色部分が吸収エネルギー、点線の長方形が許容ピークで使用可能なストローク全体を使った場合の最大吸収量、斜線部分が曲線との差です。吸収割合はストローク概算評価の係数ηです。模式図。

この力とストロークの曲線形状で、ストロークをどれだけ有効に使えるかが決まります。許容ピークまで素早く上昇してその付近を保つ曲線はストロークを有効に使えます。上昇が遅い曲線では前半を十分に使えません。この割合が以下のストローク概算評価に用いる係数ηです。

ストロークの算定

この事象の運動エネルギーは、有効移動質量 $m_{\text{eff}}$ が相対係合速度 $v_{\text{rel}}$ . で作用することで生じます。等価自由落下距離で表すと分かりやすい場合もあります。 $h$ :

E_{\text{event}} = \tfrac{1}{2}\, m_{\text{eff}}\, v_{\text{rel}}^{2} = m_{\text{eff}}\, g\, h

衝撃吸収装置は、使用可能なストロークにわたり、静荷重を超えて許容ピークまでの力を利用できます。 $W_{\text{ref}}$ をDAFの基準となる静荷重、 $\psi_{\text{allow}}$ を許容DAF、 $S$ をストローク、 $\mu$ をその使用可能割合、 $\eta$ を荷が停止するまでの力とストロークの曲線が長方形を占める割合（図1）とすると、吸収できるエネルギーは次のとおりです。

E_{\text{available}} = \mu\, \eta\, S\, W_{\text{ref}} \left( \psi_{\text{allow}} – 1 \right)

両者を等しいと置くと、概算評価で必要なストロークは次のようになります。

S \ge \frac{m_{\text{eff}}\, v_{\text{rel}}^{2}}{2\, \mu\, \eta\, W_{\text{ref}} \left( \psi_{\text{allow}} – 1 \right)}

このページでは、 $\mu = 0.9$ , で終端に余裕を残し、 $\eta = 0.5$ を計算例と図2の全体に適用します。実際の曲線が占めるのは長方形のおよそ半分です。力の立ち上がりにストロークの一部を使い、荷の減速に伴って力が低下するためです。以下の杭の急激な沈下の解析では、使用した4.98 mにわたる曲線の割合は約0.53でした。したがって0.5は近い値であり、安全側の設定です。

計算例

事象。 荷は自由落下距離 $h = 0.50\ \text{m}$ : $v_{\text{rel}} = \sqrt{2 g h} \approx 3.13\ \text{m/s}$ .
制限条件。 許容DAFは1.3、有効質量は基準質量と等しく、 $\mu = 0.9$ かつ $\eta = 0.5$ .
ストローク。 質量が等しい場合、概算式は次のように簡略化できます。
$S \ge \frac{h}{\mu\, \eta\, (\psi_{\text{allow}} – 1)}$
したがって
$S \ge \frac{0.50}{0.9 \cdot 0.5 \cdot 0.3} \approx 3.70\ \text{m}$
4 mの装置で条件を満たします。

この概算評価で確認するのはエネルギーのみです。実際のピーク荷重は、設定された力とストロークの曲線に加え、クレーン、ワイヤー、吊り具の剛性で決まります。過渡解析によって、ストロークに余裕を残した状態で許容DAF以下に収まることを確認します。

図2。 計算例と同じ条件で、各許容DAFにおいてストロークが吸収できる最大係合速度を示します。使用可能なストロークは90 %、η = 0.5、有効質量と基準質量は等しいものとします。自分のストロークの位置から、許容DAFの曲線まで上にたどってください。必要なストロークは速度の2乗に比例して増えます。

杭の急激な沈下での検証

同一条件で比較した当社のCONSTELLATION解析 CS-2026-005では、杭とハンマーの合計移動質量が1,500 tの条件で、杭が5.0 m/sで急激に沈下します。同じパラメータ群を用い、剛結合と、ストローク6.0 mの2,000 t POLARISでそれぞれモデルを実行しました。

結果	剛結合	POLARIS使用時
ライン張力のピーク	37.7 MN	23.6 MN
静荷重16,553 kNを基準とするフックDAF	2.28	1.43
停止後の完全弛緩からの反発回数	2	0
使用ストローク	–	6.0 m中4.98 m

概算評価とも整合します。5.0 m/sで動く1,500 tの質量の運動エネルギーは

\tfrac{1}{2} \cdot 1{,}500\ \text{t} \cdot (5.0\ \text{m/s})^{2} = 18.75\ \text{MJ}

静的なフック荷重16,553 kN、解析で得られたDAF、および $\mu\, \eta = 0.9 \cdot 0.5 = 0.45$ の場合、ストロークの単位長さあたりに吸収できるエネルギーは

0.45 \cdot 16.553\ \text{MN} \cdot 0.43 \approx 3.203\ \text{MJ/m}

したがって概算評価で必要なのは $18.75 / 3.203 \approx 5.85\ \text{m}$ のストロークです。6.0 mの装置は条件を満たし、シミュレーションで使用したストロークは4.98 mでした。杭の急激な沈下の停止に関する解析を読む →

衝撃吸収装置とヒーブ補償装置、どちらを使うべきか？

単発の事象には衝撃吸収装置、波による周期的な動きや連続的な張力保持にはヒーブ補償が適します。作業船からの吊り上げは両者の境界を示す例です。船が下降してワイヤーに荷重がかかるとき、衝撃は吊り上げごとに一度生じるため、 POLARIS などの衝撃吸収装置で対応します。動く甲板とつながったままの吊り上げにはヒーブ補償装置が適します。中間的なケースでは、事象の繰り返し頻度、装置の復帰に必要な時間、反復による発熱、使用可能なストロークで判断します。

2つの設計方式

従来の衝撃吸収装置はガススプリングを外部アキュムレーターに設け、絞りで流量を制御します。絞りは調整できる場合とできない場合があります。当社の軽量設計であるPOLARISは、1本の油圧シリンダー内部に少量のガスを収め、CFDで設計した弁で流量を制御します。

項目	アキュムレーター方式	POLARIS
作動原理	外部アキュムレーター内のガススプリングと油圧絞り	1本のシリンダー内に少量のガスとCFDで設計した弁を配置。外部アキュムレーターやニードル弁は不要
調整	絞りは調整可能な場合と不可能な場合がある	対象事象に合わせて弁とプリセットを選定
重量と設置面積	外部アキュムレーターが重量と甲板上の占有面積を増やす	同等の用途では部品が少なく、軽量で小型
設定	構成ごとにアキュムレーターへのガス充填と弁の設定が必要	外部アキュムレーターへのガス充填は不要。構成ごとにプリセットを設定
供給元	複数のメーカー	特許取得済み（ノルウェー特許NO 349575）。Norwegian Dynamicsのみが供給

よくある質問

クレーン用衝撃吸収装置は何をしますか？

フックの下に直列に取り付け、急激な荷重をストローク全体で制御された力に変えます。荷が急に引かれる、落下する、または急激に移動すると、装置がストロークし、停止するまでライン張力を設定値付近に保ちます。これにより、剛結合の場合のような力の急上昇がクレーン、ワイヤー、吊り具に作用するのを防ぎます。

クレーン用衝撃吸収装置のストロークはどう算定しますか？

まずエネルギーを概算評価します。 $S \ge m_{\text{eff}}\, v_{\text{rel}}^{2} / \left( 2 \mu \eta W_{\text{ref}} (\psi_{\text{allow}} – 1) \right)$ ここで $\mu$ はストロークの使用可能割合、 $\eta$ は力とストロークの曲線が占める割合です。次に、設定された力とストロークの曲線、およびクレーン、ワイヤー、吊り具の剛性を使って実際のピーク荷重を確認します。

衝撃吸収装置とヒーブ補償装置、どちらが必要ですか？

衝撃吸収装置は、杭の急激な沈下、吊り上げ開始時の急な荷重、緩んだスリングが急に張る場合など、単発の事象に用います。ヒーブ補償は波による繰り返しの動きと連続的な張力保持に用います。中間的なケースは、事象の繰り返し頻度、装置の復帰速度、発熱、使用可能なストロークで判断します。

作業船からの吊り上げ時に生じる衝撃を吸収できますか？

はい。作業船の甲板から荷を吊り上げるときに船が下降すると、ワイヤーが急に張ることがあります。POLARISのように直列に取り付ける衝撃吸収装置は、そのピーク荷重を抑えます。動く甲板とつながったままの吊り上げには、ヒーブ補償装置の方が適します。

杭の急激な沈下の解析でPOLARISはどのような結果を示しましたか？

同一条件で比較した当社のCONSTELLATION解析 CS-2026-005では、杭とハンマーの合計移動質量が1,500 tの条件で、杭が5.0 m/sで急激に沈下したとき、フックDAFは剛結合時の2.28に対し、2,000 t POLARIS使用時は1.43でした。ライン張力のピークは37.7 MNから23.6 MNに低下し、装置は6.0 mのストロークのうち4.98 mを使用しました。停止後に完全に緩んだ状態からの反発はありませんでした（剛結合時は2回）。

衝撃吸収装置はクレーンの吊り能力をどう守りますか？

ライン張力のピークを、対象となる吊り作業についてクレーンの荷重表が許す値より低く保ちます。確認されたピーク荷重またはDAFが低ければ、該当する荷重表の区分で余裕を確保できます。荷重表の荷重定義、作業半径、構成、基準荷重、プロジェクトの基準を確認してください。

出典と前提条件

概算評価は有効移動質量のエネルギー収支に基づき、全体を通じて $\mu = 0.9$ と $\eta = 0.5$ を使用します。ηで数えるのは、荷が停止するまでの、静荷重を超える力の部分のみです。概算評価の設計点では、荷は使用可能なストロークの終端で停止します。 CS-2026-005 （1,500 t、5.0 m/s、静荷重16,553 kN、DAF 1.43、使用ストローク4.98 m）から逆算すると約0.53です。POLARISのページに記載するエネルギー吸収効率は、力全体をピーク荷重で割る別の比率であるため、こちらより高くなります。
杭の急激な沈下に関する結果は、公開済みの当社CONSTELLATION解析 CS-2026-005によるもので、認証されたプロジェクト解析ではなくモデル解析です。
最終的な寸法選定では、設定された力とストロークの曲線、クレーン、ワイヤー、吊り具の剛性と初期張力、ストロークの余裕、事象の繰り返しと復帰、発熱、環境条件、プロジェクトまたは船級上の基準を確認します。