ボルトテンショナとは
ボルトテンショナとは、オイルの圧力 (油圧) によってボルトを締め付けるために使用される油圧工具です。
ボルトテンショナによるボルトの締め付けは、ボルトにねじりトルクをかけることをせずに引張荷重を発生させるので、ボルトの材料強度を締結力として、最大限に発揮させることができます。また、直接軸力を調節可能で (軸力値コントロール) 、正確にボルトを締め付ける点も特徴です。
ボルトテンショナの使用用途
ボルトテンショナは正確なボルトの締め付けが可能なため、大型ボルトの耐久性がより必要とされる製造・工業現場などに導入されています。例えば、海洋上の風力発電用の巨大発電機 (プロペラ) や化学プラント工場など、高精度のボルトの締め付け・耐久性が必要な現場です。
さらには、東京スカイツリーのような巨大建造物にもボルトテンショナによる高精度・高耐久性のボルトの締め付けは必要不可欠です。そのほか、ボルトテンショナは従来のトルクレンチなどと比べて締結時に場所をとらないので、複雑な構造物の間など狭い空間にも使用できます。
ボルトテンショナの原理
ボルトテンショナの原理は、油圧を用いてボルトを引っ張ることです。ボルトテンショナの原理を理解するためには、ボルトの締結原理を理解する必要があります。ボルトやねじが締結力を発揮する原理は、ボルトやねじが引っ張られて、弾性力によって元の長さに戻ろうとする力によるものです。
鉄鋼材料などの頑丈なボルトを伸ばすための引っ張り力を得るために、ボルトでは螺旋形状を利用しています。ちょうど重たい荷物をある高さまで持ち上げる際に、直接持ち上げるのではなく、台車に乗せて斜面を使って運ぶと小さな力で持ち上げられるのと同じ原理です。
ただし、ねじの斜面を使った締結では、斜面で発生する摩擦のために、ボルト自体に張力に加えてねじりトルクも作用します。材料には張力以外にねじりトルクが同時に作用すると、単純に張力が作用した場合よりも低い張力で、材料が蘇生変形で伸びたり、破断したりする現象が起こります。
ボルトテンショナを使えば、ボルトにはねじりトルクを作用せず張力を与えられるため、ボルトの強度を最大限に活かすことが可能です。
ボルトテンショナの特徴
ボルトテンショナによるボルトの締結には、以下のようなメリットがあります。
1. ボルトの強度を最大限に発揮できる
原理の項で説明したとおり、ボルトにねじりトルクが作用すると、張力だけが作用している状態に比べて、低い張力でボルトは塑性変形で伸びたり、破断したりします。ボルトの材料強度よりも、低い締結力しか得ることができません。
それに対して、ボルトテンショナはボルトにねじりトルクが作用しないので、高い締結力が得られます。
2. 軸力が正確に把握できる
通常のボルトやねじを回転させて締結させる場合、ボルトが発生している締結力 (軸力) は分かりません。代用特性として締め付けトルクを計測する方法が用いられていますが、締め付けトルクから軸力を知る際に、ボルトのねじ面や座面の摩擦係数がわかっていなければなりません。
摩擦係数も正確に把握することは難しく、ある代用値を用いるのが一般的です。代用値として計算に用いた摩擦係数と実際の摩擦係数とに大きな差があると、十分な軸力が得られなかったり、締結作業によってボルトが破断したりするトラブルが発生します。ボルトテンショナを使えば、与えた油圧からボルトに与えた軸力を正確に把握できます。
3. 複数のボルトに同じ軸力を与えられる
ボルトテンショナは油圧を用いるため、1つの油圧発生源を複数のボルトテンショナに供給すれば、複数のボルトに対して、同じ軸力を同時に作用させることができます。
ボルトテンショナのその他情報
ボルトテンショナでの締結方法
ボルトテンショナは、まずボルトにナットを手もしくはトルクレンチなどで通常の締め付けを行った状態から始め、この状態でボルトテンショナをセットし、ボルトを座面に着座させます。
次にボルトテンショナの側面に油圧をかけるための高圧ホースを装着し、圧力の設定することができるので換算表に応じて設定します。圧力の設定は、ボルトの初期必要引張力と有効断面積からも換算可能です。
高圧ホースを接続した状態で圧力を徐々にかけていくと、油圧によりボルトが上へと引き上げられ、着座しているナットが浮きます。この浮いたナットを回して着座させることで、ボルトは数トンもの力で締め付けられた状態になります。ナットを回し終えた後、油圧を解放し締め付けたら完了です。
参考文献
https://www.bolt-engineer.net/bolt-tensioner/structure.html
http://ith.co.jp/product/bolttensioner/what_is_bolt_tensioner