JP2008256624A - 軸部材の超音波探傷方法、超音波探傷装置および超音波探傷システム - Google Patents

Abstract

【課題】軸部材の超音波探傷方法および装置を提供する。
【解決手段】軸部材の端面に、軸部材の周方向に回転可能に取り付けたフェーズドアレイ探触子から縦波の探傷超音波を入射し、前記フェーズドアレイ探触子は前記軸部材の端面に対して傾き且つ偏心して配置され、前記探傷超音波は、セクタースキャン法により、軸部材で回転部材が圧入された部分を軸部材の軸方向に走査しつつ、軸部材周方向を探傷する。縦波の探傷超音波を発信するフェーズドアレイ探触子と、前記フェーズドアレイ探触子を偏心して固定する回転円板と前記回転円板を超音波探傷を行う軸部材の軸端に、回転可能に保持する機構と前記回転円板の回転角度検出器を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧延機のロール軸駆動装置やクレーンの減速機軸、及び電車・工業用駆動装置の車軸等の超音波探傷法、超音波探傷装置および超音波探傷システムに関する。

圧延機やクレーンに用いられる軸部材は、疲労破壊が懸念されるため、定期的に、軸受け部を分解して疲労亀裂等のキズの有無を検査する開放検査が実施されている。しかし、圧延機やクレーンの減速機は大型機械で、開放検査には長い工期と多額の費用が必要とされる。

軸部材の端部から軸部材の欠陥を探傷する超音波探傷方法の場合、軸部材に歯車やカップリングなどが圧入された状態では、圧入部と非圧入部の境界部に圧入エコーが発生し、同一個所に発生した亀裂等のキズとの弁別が容易でなく、レードルクレーンの主巻減速機軸など歯車を固定するため、段付軸を用いる場合は、段付き部に沿った亀裂等のキズを段付き部のバックエコーから弁別して探傷することも必要とされる。

特許文献１は、軸部材の超音波探傷方法および装置に関し、軸部材で、主に歯車などの回転部材が圧入された部分に発生する欠陥を検出するため、軸部材端面から超音波探傷を行う探触子構造体において複数の探触子セグメントを円周方向に連続的に配置し逐次超音波を入射させ、または探触子セグメントは一つとし、円周方向に沿って移動させて、軸部材周方向の探傷を行うことが記載されている。

複数の探触子セグメントを円周上に配置した場合は、切り替えスイッチで円周方向に電気的に走査させ、探傷データ収録解析装置で受信した欠陥信号を解析する。

特許文献１記載の方法では、探傷に用いる超音波は横波で、横波水平波が超音波ビーム進行方向に対し、水平であることにより、欠陥検出性能を高め、圧入エコーの発生を抑制している。

しかし、横波を使用するため探触子セグメントと軸部材端面間は粘性の高い物質の薄膜などにより略密着状態とすることが必要で、探触子セグメントを一つとした場合においては、簡便な装置で移動させることはできず、探触子セグメントを複数とし、電気的に走査させる場合であっても、軸端面との間を密着状態とするためには軸部材の寸法毎の探触子構造体を必要とする。

図６は、上述した問題点を解決するため、本発明者等が既に未公開先行出願（特願２００６−０７６２３９）で提案した、軸部材の超音波探傷方法で、図では軸部材が減速機の場合を説明する。

減速機４は、軸部材４３に歯車４１が圧入され、その両端はベアリング４２で支持されている。軸部材４３は段付き軸で、歯車４１は段付き部４５によって一方の側面が固定されている。このような軸部材４３においては、疲労亀裂等のキズａは段付き部４５の圧入側に発生する。

超音波探傷装置１は、フェーズドアレイ探触子１１を固定する回転円板１５を備え、回転円板１５はそれ自体が回転して、フェーズドアレイ探触子１１による超音波が軸部材４３の周方向を全周に亘って探傷できるように、冶具１４で軸部材４３の端面４４に取り付けられる。周方向における探傷位置は、ロータリーエンコーダ等の回転角度検出器２により回転円板１５の回転角度を検出して行う（図７）。

フェーズドアレイ探触子１１から発信された縦波超音波ビームは軸部材４３で歯車４１が圧入された部分にフォーカスされ、その状態でセクタースキャン法（角度振り法）によりセクタースキャン角度ｂだけ、軸部材４３の半径方向に振って、圧入された部分の軸方向の全域を走査する。

回転円板１５が回転することにより、フェーズドアレイ探触子１１からは、軸部材の周方向の全周に亘って軸部材４３で歯車４１が圧入された部分にフォーカスされた状態で縦波超音波ビームが発信される。

フェーズドアレイ探触子１１から発信された縦波超音波は疲労亀裂等のキズａがあれば、その先端で散乱反射して得られる端部エコーがフェーズドアレイ探触子１１に戻り、画像表示機能を備えた探傷データ収録解析装置に送信されて探傷データとして記録される。

上述した超音波探傷装置１では、フェーズドアレイ探触子１１の回転角度を回転角度検出器２で検出するので、探傷データ収録解析装置１２では、得られた探傷データを、縦軸（Ｙ軸）を探触子からの距離、横軸（Ｘ軸）を軸部材の円周方向とする展開図イメージで画像表示することが可能である。
特開平１１−２３５４０号公報

ところで、軸部材に回転部材を圧入するとキズ周囲からのエコーとして、圧入部には嵌合エコーが発生し、軸部材が段付き軸の場合は、段付き部からバックエコーが発生し、いずれも亀裂等のキズエコーの探傷において疑似エコーとなる。

図５に軸部材４３の歯車４１の圧入部に発生したキズａに、超音波ｄが入射した際に発生する、キズａの先端部から発生する端部エコーｅ、キズａの開始部から発生するコーナーエコーｆを示す。尚、更に、圧入部からは嵌合エコーが発生する。

上述した本出願人等の未公開先行出願（特願２００６−０７６２３９）に係る、フェーズドアレイ探触子を用いたセクタースキャン法による探傷では、亀裂等のキズエコー（端部エコー、コーナーエコー）とキズ周囲からの擬似エコー（嵌合エコー、バックエコー）を相対的に比較でき、両者の弁別が比較的容易であるが、軸部材の軸径が小さく、軸長さが長い場合、更に検出精度を向上させることが望ましい。

そこで、本発明は、そのような場合であっても亀裂等のキズエコー（端部エコー、コーナーエコー）とキズ周囲からの擬似エコー（嵌合エコー、バックエコー）の弁別が容易な軸部材の超音波探傷方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段により達成可能である。
１．軸部材の端面に、軸部材の周方向に回転可能に取り付けたフェーズドアレイ探触子から縦波の探傷超音波を入射し、亀裂等のキズを探傷する軸部材の超音波探傷方法であって、
前記フェーズドアレイ探触子は前記軸部材の端面に偏心して配置され、前記探傷超音波は、セクタースキャン法により、軸部材で回転部材が圧入された部分を軸部材の軸方向に走査しつつ、軸部材周方向を探傷することを特徴とする軸部材の超音波探傷方法。
２．前記軸部材が段付軸であることを特徴とする１記載の軸部材の超音波探傷方法。
３．縦波の探傷超音波を発信するフェーズドアレイ探触子と、前記フェーズドアレイ探触子をウェッジを介して保持する回転円板と、前記回転円板を超音波探傷を行う軸部材の軸端に周方向に回転可能に保持する機構と前記回転円板の回転角度検出器を備え、前記フェーズドアレイ探触子は前記回転円板に偏心して配置されていることを特徴とする軸部材の超音波探傷装置。
４．軸部材の端面に、軸部材の周方向に回転円板を介して回転可能に取り付けたフェーズドアレイ探触子から縦波の探傷超音波を入射し、亀裂等のキズを探傷する軸部材の超音波探傷システムであって、
前記フェーズドアレイ探触子は前記回転円板に偏心して配置され、前記探傷超音波は、セクタースキャン法により、軸部材で回転部材が圧入された部分を軸部材の軸方向に走査しつつ、軸部材周方向を探傷し、得られた探傷データを画像化することにより亀裂等のキズ解析をすることを特徴とする軸部材の超音波探傷システム。

本発明は、フェーズドアレイ探触子を端面内に配置することができる軸径の軸部材であれば、適用可能で汎用性が高く、鉄鋼産業で用いられる圧延機の駆動装置やレードルクレーン減速機及び電車、工業用駆動装置の車軸等の大形重要設備の軸部材の亀裂等のキズの有無を開放検査することなく、確認することが可能で、産業上極めて有用である。

本発明は、軸部材で、歯車などの回転部材が圧入された部分に発生する疲労亀裂等のキズを、軸部材の軸心から偏心して配置したフェーズドアレイ探触子から縦波の探傷超音波を入射して探傷することを特徴とする。

図１は本発明の一実施例に係る超音波探傷装置を用いて減速機の軸部材を対象に、超音波探傷を実施している状況、図２は図１に示した超音波探傷装置の側面図を示す。減速機４の構造は、図６で説明したものとする。

図において１は超音波探傷装置、２は回転角度検出器、３は回転角度検出器２の取付け冶具、４は減速機、１１はフェーズドアレイ探触子、１２は探傷データ収録解析装置、１３はウェッジ、１４はマグネット付きガイド、１５は回転円板、１６はフェーズドアレイ探触子１１を回転円板１５に固定する冶具、４１は歯車、４２はベアリング、４３は軸部材、４４は軸部材４３の端面、４５は段付き部、ａは疲労亀裂等のキズで図では段付き部４５の圧入側に発生したもの、ｂはセクタースキャン角度を示す。

本発明に係る超音波探傷装置１は、フェーズドアレイ探触子１１と、フェーズドアレイ探触子１１を冶具１６により固定する回転円板１５を備え、回転円板１５はそれ自体が探傷しようとする軸部材と同心で回転して、フェーズドアレイ探触子１１による超音波が軸部材４３の周方向を全周に亘って探傷できるように、複数のマグネット付きガイド１４で構成される、回転可能に保持する機構によって軸部材４３の端面４４に取り付けられる。

また、超音波探傷装置１には、周方向における探傷位置を特定するため、回転円板１５の回転角度を検出する、例えば、取り付け冶具３で減速機４のハウジング部に固定されるロータリーエンコーダ等の回転角度検出器２を取り付ける。

フェーズドアレイ探触子１１は複数の振動子が埋め込まれたアレイ探触子で、同時励振グループのアレイ探触子にナノセコント単位の時間差をつけて駆動させることによりある距離に超音波ビームをフォーカスさせることができる。

図１に示した状態では、フェーズドアレイ探触子１１から発信された縦波超音波ビームは軸部材４３で歯車４１が圧入された部分にフォーカスされ、その状態でセクタースキャン法（角度振り法）によりセクタースキャン角度ｂだけ、軸部材４３の半径方向に振って、圧入された部分の軸方向の全域を走査する。

回転円板１５が回転することにより、フェーズドアレイ探触子１１からは、軸部材の周方向の全周に亘って軸部材４３で歯車４１が圧入された部分にフォーカスされた状態で縦波超音波ビームが発信される。

フェーズドアレイ探触子１１から発信された縦波超音波は疲労亀裂等のキズａがあれば、その先端で散乱反射して得られる端部エコーがフェーズドアレイ探触子１１に戻り、画像表示機能を備えた探傷データ収録解析装置１２に送信されて探傷データとして記録される。

本発明に係る超音波探傷装置１では、フェーズドアレイ探触子１１を軸部材４３の軸心Ｃから、一定距離だけ偏心させ、ウェッジ１３を介して、回転円板１５に取り付ける。ウェッジ１３は、フェーズドアレイ探触子１１からの縦波超音波が、軸部材の嵌合部に入射されるようにフェーズドアレイ探触子１１を回転円板１５に対してかたむけるもので、そのくさび状の形状は超音波探傷が容易なように適宜選定する。

偏心量は、探傷時に、擬似エコーとキズエコーの弁別が可能なように、適宜、フェーズドアレイ探触子１１を回転円板１５上で移動させて、設定すればよく本発明では特に規定しない。そのため、フェーズドアレイ探触子１１は回転円板１５上で、偏心量の調整が容易なように、その両側の側端部を冶具６で挟持することが好ましい（図２）。

超音波探傷条件は、偏心量を変化させた各位置において、フェーズドアレイ探触子１１からの超音波の入射角度を種々変化させて、擬似エコーとキズエコーの弁別が容易な偏心量と入射角度を選定する。偏心は回転円板１５の直径方向にフェーズドアレイ探触子の各探触子が並ぶようにして行う。

超音波探傷条件は、偏心量と入射角度の両者、またはいずれか一方を調整して行うことができる。

図３は、超音波の入射角度θを種々変化させて圧入部への入射方向を変化させて、エコー高さに及ぼす影響を調べた試験方法を説明する模式図で、フェーズドアレイ探触子１１を軸部材４３の端面４４上を軸径方向に移動させて超音波ｄの入射角度θを変化させ、キズａが生じた圧入部への超音波ｄの入射方向を変化させ、エコー高さを検出して実施した。

図４は試験結果を示し、入射角度θが大きくなると嵌合エコーは減衰するが、コーナエコーは略一定で、入射角度θを大きくすることにより嵌合エコーとコーナエコーの弁別が容易に可能となる。

本試験結果は、キズの割れ面に対して超音波が斜めに入射することにより得られるもので、疵の先端から発生する端部エコー、段付き部からのバックエコーも同様な傾向が得られる。

更に、キズの割れ面に対して超音波が斜めに入射することから、キズのコーナから反射する超音波とキズの先端から反射する超音波が時間的に分離しやすくなり、キズの高さの検出精度も向上する。

本発明に係る超音波探傷装置１では、フェーズドアレイ探触子１１の回転角度を回転角度検出器２で検出するので、探傷データ収録解析装置１２では、得られた探傷データを、縦軸（Ｙ軸）を探触子からの距離、横軸（Ｘ軸）を軸部材の円周方向とする展開図イメージで画像表示することが可能で、亀裂等のキズエコーとキズ周囲からのエコーを相対的に比較でき、亀裂検出が容易となる。

軸長さ方向の全長についてキズ探傷を行う場合は、上述したＸ，Ｙ座標軸で得られた探傷データを、軸全長（Ｚ方向）についても表示する。

尚、本発明に係る超音波探傷装置１では、探傷超音波として縦波の超音波を用いるので、フェーズドアレイ探触子１１と端面４４の接触媒質（図１では省略）として粘度の低い水、油などを使用し、横波水平波のように両者間を接着あるいは粘着させる必要がなく、上述した簡便な装置構成でフェーズドアレイ探触子１１を回転させることが可能である。

本発明の一実施例に係る超音波探傷装置の構成を示す図。 図１に示した超音波探傷装置の側面図を示す図。 超音波の入射角度θにより圧入部への入射方向を変化させて、エコー高さに及ぼす影響を調べた試験方法を説明する模式図。 超音波の入射角度θがコーナエコーと嵌合エコーのエコー高さに及ぼす影響を示す図。 圧入部に発生したキズからのエコーの発生を説明する模式図。 軸部材の軸心にフェーズドアレイ探触子を配置した超音波探傷装置の構成を示す図。 図６に示した超音波探傷装置の側面図。

符号の説明

１ 超音波探傷装置
２ 回転角度検出器
３ 取付け冶具
４ 減速機
１１ フェーズドアレイ探触子
１２ 探傷データ収録解析装置
１３ ウェッジ
１４ マグネット付きガイド
１５ 回転円板
１６ 冶具
４１ 歯車
４２ ベアリング
４３ 軸部材
４４ 端面
４５ 段付き部
ａ 疲労亀裂等のキズ
ｂ セクタースキャン角度

Claims (4)

1. 軸部材の端面に、軸部材の周方向に回転可能に取り付けたフェーズドアレイ探触子から縦波の探傷超音波を入射し、亀裂等のキズを探傷する軸部材の超音波探傷方法であって、
   前記フェーズドアレイ探触子は前記軸部材の端面に偏心して配置され、前記探傷超音波は、セクタースキャン法により、軸部材で回転部材が圧入された部分を軸部材の軸方向に走査しつつ、軸部材周方向を探傷することを特徴とする軸部材の超音波探傷方法。
2. 前記軸部材が段付軸であることを特徴とする請求項１記載の軸部材の超音波探傷方法。
3. 縦波の探傷超音波を発信するフェーズドアレイ探触子と、前記フェーズドアレイ探触子をウェッジを介して保持する回転円板と、前記回転円板を超音波探傷を行う軸部材の軸端に周方向に回転可能に保持する機構と前記回転円板の回転角度検出器を備え、前記フェーズドアレイ探触子は前記回転円板に偏心して配置されていることを特徴とする軸部材の超音波探傷装置。
4. 軸部材の端面に、軸部材の周方向に回転円板を介して回転可能に取り付けたフェーズドアレイ探触子から縦波の探傷超音波を入射し、亀裂等のキズを探傷する軸部材の超音波探傷システムであって、
   前記フェーズドアレイ探触子は前記回転円板に偏心して配置され、前記探傷超音波は、セクタースキャン法により、軸部材で回転部材が圧入された部分を軸部材の軸方向に走査しつつ、軸部材周方向を探傷し、得られた探傷データを画像化することにより亀裂等のキズ解析をすることを特徴とする軸部材の超音波探傷システム。

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