QCラボ：モンスターを飼いならす — 巨大カムの魅力と限界

破断強度

カムの破損が起きる荷重のこと。多くの場合、kN(キロニュートン)単位で表示されます(1kNは約102kgf(重量キログラム))。各カムのレンジに基づいて決められたサイズの“クラック”を再現し、徐々にカムに荷重していく方法で試験します。カム ― 公式用語では「フリクションデバイス」― は、EUの安全性能基準(CE)を満たすために最低でも5kNの破断強度が求められます。

カムの絞り(%)とEN12276認証登山用具 — フリクショナル・アンカー —

ヨーロッパで販売される全ての個人用保護具(PPE)は、CE認証基準を満たす必要があります。器具のカテゴリごとに、EN規格に基づいた要件が定められています。カムの場合は、「EN12276 – フリクショナル・アンカー」の規格に適合する必要があります。要件には、マーク表記や取扱説明、使用方法など様々な項目が含まれますが、ここでは破断強度に関する要件に着目しておきます。カムが認証を受けるためには、2つの主要破断試験をパスする必要があります。25％絞りで荷重した場合と、75％絞りで荷重した場合の2つの試験です。25％絞りの試験は、理想的でない不完全なセッティングを表し、75％絞りの試験は、より望ましい強固なセッティングを表しています。下記の式は、試験を行う際の適切なセッティング幅の計算に用いられているものです。Bminはカムを絞り切った時の幅、Bmaxはカムを全く引いていない状態の幅を表しています。

注：CE規格に適合するためには、カムレンジが5㎜以下の場合、25%/75%絞りではなく50％絞りで試験をする必要があります。Z4の#0がこれに該当します。

bmaxとbminの差が5㎜以下の場合、下記の式で示される1種類のセッティング幅のみが試験に適用されます。

強度低下率(％)

25％絞りと75％絞り時の強度の差を示す「強度低下率」は、以下の式で算出されます。

強度

製品に表記されている強度は、試験条件下でその製品が耐えられる荷重の値で、製造者が表示します。CE規格に則って定められた強度の最小値は5kNです。カムのスリング部にある表記を見てみると、そこには2種類の強度が示されているはずです。一つは、アクティブ強度(カミング作用が働くようにセットされた場合)、もう一つはパッシブ強度(ナッツ/ストッパーのように使われた場合)です。BD社製のカムは、2軸構造のカムのみパッシブ強度が記載されています。

カムの強度が8kNと表記されていても、必ずしも8kNで破断するという意味ではありません。強度は、3シグマ法というやり方で計算し決定されます。統計的に意味のある数量の母集団で試験を行い、中央値(µ)と標準偏差(σ)を求めれば、3σ区間の下限値が算出できます。このことはつまり、破断するケースのうち99.7％は、この下限値を超える荷重のときに発生する、ということを意味しています。これをベースにして、正式な強度を決定します。製品が使用される様々な状況を考慮に入れ、最終的な強度はこれより低い値になることが多くなります。

カムサイズの分類

この記事では、カムをサイズで小・中・大に分類しました。具体的な分け方は以下の通りです。

1. 小 ― Z4の#0~#0.4
2. 中 ― Z4の#0.5~C4の#2
3. 大 ― C4の#3~#8

どのサイズのカムを決めるにしても、できる限りベストな状態で決められるようにすべきです。しかし現実にはそれができないこともあります。岩の形状は様々で、そのピッチに持っていけるカムの数は限られています。何もないよりは何かあった方がまし、という場合もあります。さて、極小カムと極大カムを使う場合、このようなイレギュラーなセッティングは、カムの強度にどれくらい影響するのでしょうか？

これまでのQCラボの試験と同様、サンプル数は少なく、かなり理想的な環境で試験していることを念頭に置いておいて下さい。セッティングする際には正確に幅を計り、カムのぶれを最小限に抑えられるよう鋼板を使っています。

単純化するため、2種類のやり方に絞って試験することにしました。

試験1：CE規格試験

- CE規格に沿った試験。Z4の#0やC4の#7・#8だけでなく、様々な中間レンジのカムについても試験を行いました。

1. 25％絞りと75％絞りの状態を比較し、強度低下率を見るため。そして…
2. 小さいサイズから大きなサイズまでを、CE規格の枠組み内で同列に比較できるようにするためです。

試験2：規格外非対称試験

- C4の大サイズカムのみでの規格外非対称試験

- 実際のフィールドでの使用に近いセッティングを行い、その条件での限界点を見るため

CE規格試験 – 結果

下表は、CE規格に則って実施した試験の結果です(煩雑にならないよう、結果を記載していないカムサイズもあります)。

CE規格試験 – 分析

表1の結果から、以下のようなことが言えます。

1. 全体的にカムの破断強度は(喜ばしいことに)通常想定される状況でかかる荷重よりも高い値だった。つまり、うまく決めたカムは、ランナウトからの墜落にも問題なく耐えられることになる。

2. 中サイズのカムでは、75％絞り時と25％絞り時との強度差は無視できるほど小さい。

   1. Z4の#0.5・#0.75とC4の#1では、2種類の試験結果にほとんど差がない。
   2. これらのサイズのカムローブは、安定したセッティングをしやすい。また、カムレンジが十分に広いため、セット後にカムローブがひとりでに動いても不安定な状態になったり反転したりすることがない。
   3. このサイズのカムは、他サイズに比べセッティングミスに対して寛容で、少々であれば不完全なセットでも対応できる。

3. ただし、カムのサイズが大きくなるほど、2種類の試験間の強度低下率は増大する。

   1. 中サイズのカムでは、25％絞りの状態だと岩との接点はあまり大きくない。そのため、75％絞りのときに比べると、より小さい荷重で破断してしまう。
   2. 極大カムの場合、絞りが少ない状態ではカムローブが不安定になり変形しやすいため、強度の低下が起きる。
4. Z4 #0の場合はカムレンジが狭いため、50％絞り状態でのみ試験をするということになっている(CE規格試験)。そのため当然ながら、強度低下率を計算することはできない。25％絞りでの試験を行わないということはつまり、絞りが少ない状態でのセットはかなり繊細であり、できるだけ精確で安定したセッティング技術が求められる、ということである。

CE規格試験 - 破断のパターン

カムの破断パターンは条件により様々でした。

1. Z4 #0はカムレンジがかなり狭く、岩との接地面積は極めて小さい。通常、荷重が増えていくと、カムローブは最初のセット位置から少しずつずれていく。#0の場合、50％絞りの状態から全く絞っていない状態になるまでに必要な移動量は、全カム中最小だ。そのため、すぐに破断してしまう。最も多い破断パターンは、引く方向と逆の向きにカムローブが回転してカムが抜けてしまう、というものである。
2. しっかりセットされたハンドサイズのカムの場合は、サムループ内のケーブル破損が最も多い破断パターンだった。
3. 中サイズのカムの中には、岩との接点が十分にない25％絞りの状態のとき、荷重を増やすとカムローブ内のアルミ部分が破断したものがあった。
4. 理想的なセッティング状態の極大カム#7・#8の場合、アクスルが曲がり、カムローブが破損ないしは変形する。一方、25％絞りのときは、必ずカムローブが変形して破断する。カムがウォーキングしたり、セッティングがうまくいっていないと、これはさらに起こりやすくなる。

CE規格試験 – 結論

大サイズのカムを少しだけ絞った状態でセットすると、カムローブの変形が起こりやすくなり、強度は著しく低下してしまいます。同様に、極小カムをあまり絞らずにセットした場合も、カムローブが逆回転しやすくなり、強度がかなり落ちてしまいます。両者の破断パターンは全く異なるものの、広がった状態でのセッティングが脆弱なのはどちらも同じです。

規格外非対称試験

BD社で新製品を開発するときは、安全性を確かめるために、CE規格試験以外にも様々な試験を考案し実施しています。このような試験によって、フィールドで起こりうる誤った使用方法が引き起こす問題を理解しやすくなるのです。この中の一つに、カムのステムの向きと荷重する方向とをずらして何が起きるかを見る、という試験があります。ここまで紹介してきた試験は、そのようなことが起きない理想的な環境・セッティングで行われたものでした。

それでは、極大カムがステムの方向と別方向から荷重されると、その強度はどうなるのでしょうか？

試験・第2ラウンドでは、大サイズ以上のC4キャメロット(#5、#6、#7、#8)を、垂直方向から30度傾けた状態でセットし、50％絞り、かつ、左右のカムローブの引きが非対称になるようにしました。大抵の場合、墜落が起きると、カムは荷重された方向に自然に向きが直ります。しかし、この試験では最悪のケースを想定し、ステムの向きが変わらないようカムが固定された状態で行われました。

規格外非対称試験 – 結果

図6：垂直から30度ずれたセッティングでの破断強度の試験結果

規格外非対称試験 - 結果分析

ここまでの試験で、カムサイズが大きいほど不安定さが増すということは既に分かっています。以下は、非対称の状態で荷重した大サイズC4はどのように強度が減少するのかをまとめたものです。

1. カムをこのような方向にセットすると、カムローブはさらに変形して曲がりやすくなる。

   1. この試験では、カムが何％絞られているかが、強度の変化に大きな影響を与える。絞りが大きいほど、カムの安定性は増し、高い負荷に耐えられるようになる。今回の試験は50％絞りの状態で行った。これは最悪のケースではないものの、このような左右非対称のセットをするときは、できればもっと絞った状態でセットするのが理想的である。

2. C4 #5以降、カムの強度は一定の比率で減少していく。しかも、適切にセットした場合に比べてはるかに低い強度になってしまう。

   1. カムローブのサイズが大きくなると、カムローブにかかるモーメントの力も増大するため、より小さな荷重でも破断してしまう。
   2. 左右非対称状態で負荷がかかることにより、一部のカムローブに余計に大きい荷重がかかってしまうと思われる。4枚のカムローブに均等に荷重されている場合に比べると、ちょっとしたセットの不備でカムローブが変形しやすくなってしまうだろう。

規格外非対称試験 – 結論

引かれる方向とステムの向きが異なっている場合、大サイズカムは小サイズカムに比べ、強度の減少が著しくなりました。大サイズカムをセットするときは、荷重がかかる方向と同じ向きにセットする、それぞれのカムローブがなるべく同程度に引かれている状態でセットする、できるだけ絞る、ということがとても重要です。