JP2015083929A - ケーブルの金属被の繰り返し曲げ試験方法及び繰り返し曲げ試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】防食層が形成された金属被について破断が生じるまでの曲げ回数をより正確に計測する。
【解決手段】ケーブル１０を収容する管状の金属被１７に弾性波を検出する検出素子２０を設けた状態で、金属被に対して曲げを生じさせる動作を繰り返し付与し、曲げを生じさせる動作の開始から検出素子が金属被の破断発生による弾性波を検出するまでの曲げ回数を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ケーブルの金属被の繰り返し曲げ試験方法及び繰り返し曲げ試験装置に関するものである。

送電用又は通信用のケーブルを収容する管状の金属被は、外部からの曲げ応力を繰り返し受けると破断するおそれがあるので、予め繰り返し曲げ疲労の特性に関する知見を得るために繰り返し曲げ試験が行われる。
従来の繰り返し曲げ試験方法は、金属被の両端部を塞いで内部を密閉した状態でその内部に大気圧以上の圧力でガスを充填すると共に金属被の内部に設けた圧力センサーで内部圧力を監視する。そして、金属被の一端部に対して所定振幅で往復動作を付与し、曲げ疲労により破断が生じ、内部のガスが漏出して圧力の低下が検出されたときの往復動作の回数を求めることで、繰り返し曲げ疲労の評価を行っていた（例えば、非特許文献１参照）。

昭和６２年電気学界全国大会講演論文集「ケーブルアルミ被のＳ−Ｎ特性」金澤克吉、風間洋治、田中輝彦、森田清吾、冨田浩康、加藤一、１９８７年３月１０日、p.1865―1866

ケーブルの金属被は、その外周上にコールタールや樹脂からなる防食層が形成される場合がある。この防食層は金属被の繰り返し曲げに対する耐久性を高める性質を有している。
従って、防食層を形成する金属被について繰り返し曲げ疲労の評価を行う場合には、金属被に防食層が形成された状態で行うことが望ましい。即ち、防食層がない状態の金属被の試験を行えば、繰り返し曲げ疲労について実際の使用状態よりも耐久性が低く見積もられるため、金属被に対して必要以上の強度が要求されることになる。
しかしながら、非特許文献１の繰り返し曲げ試験方法では、内部に充填したガスの漏出による内部圧力の低下から破断を検出する方法を採っている。このため、防食層を形成した金属被で同じ試験を行うと、破断箇所から漏出したガスは金属被と防食層との間に侵入して圧力低下が発生せず、破断を検出することができないという問題があった。

本発明は、防食層が外周に形成されたケーブルの金属被の場合でも、より正確に繰り返し曲げ疲労の評価を行うことを可能とすることを、その目的とする。

ケーブルの金属被の繰り返し曲げ試験方法にかかる本発明は、ケーブルを収容する管状の金属被に弾性波を検出する検出素子を設けた状態で、前記金属被に対して曲げを生じさせる動作を繰り返し付与し、前記曲げを生じさせる動作の開始から前記検出素子が前記金属被の破断発生による弾性波を検出するまでの曲げ回数を測定することを特徴とする。

また、ケーブルの金属被の繰り返し曲げ試験装置にかかる本発明は、ケーブルを収容する管状の金属被から生じる弾性波を検出する検出素子と、前記金属被に対して曲げを生じさせる動作を繰り返し付与する曲げ動作付与機構と、前記曲げを生じさせる動作の開始から前記検出素子が前記金属被の破断発生による弾性波を検出するまでの曲げ回数を測定する測定部とを備えることを特徴とする。

また、上記繰り返し曲げ試験方法又は繰り返し曲げ試験装置で利用する検出素子をＡＥ（Acoustic Emission）センサーとしても良い。

上記繰り返し曲げ試験方法及び繰り返し曲げ試験装置では、金属被に対して曲げを生じさせる動作が繰り返されると、その一部に破断を生じ、当該破断状態に応じた弾性波が発生する。
従って、上記弾性波を検出素子により検出することで、破断の発生を検出することができることから、破断に至るまでの曲げ回数を測定することが可能となる。
そして、金属被に防食層が形成されている場合でも金属被の破断時の弾性波は伝搬して検出可能であるため、防食層を形成した状態の金属被について、繰り返し曲げ試験における曲げ回数をより正確に測定することが可能となる。

検出素子としてＡＥ（Acoustic Emission）センサーを使用する場合には、検出を予定していない他の雑音やノイズの影響を低減し、金属被の破断時の弾性波を精度良く検出することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、防食層を形成した状態の金属被について繰り返し曲げ試験における破断の発生をより正確に検出することができるので、破断までの曲げ回数をより精度良く計測することが可能となる。
また、これにより、防食層を形成した金属被の繰り返し曲げに対する耐久性をより正確に評価することができるので、実際の使用環境に応じた適正な強度で金属被を設計することが可能となる。

繰り返し曲げ試験装置の概略構成図である。 電力ケーブルの切断面を示す斜視図である。 繰り返し曲げ試験において金属被に破断が生じた時に検出される振動振幅の波形図である。

［発明の実施形態の概略］
以下、本発明の実施形態について図１〜３を参照して説明する。
図１はケーブルの金属被の繰り返し曲げ試験装置１００の構成を示している。この繰り返し曲げ試験装置１００は、ケーブルとしての電力ケーブル１０を収容する管状の金属被１７から生じる弾性波を検出する検出素子としてのＡＥ（Acoustic Emission）センサー２０と、金属被１７に対して曲げを生じさせる動作を繰り返し付与する曲げ動作付与機構３０と、曲げ動作付与機構３０の動作開始からＡＥセンサー２０が金属被１７の破断発生による弾性波を検出するまでの曲げ回数を測定する測定部としてのパーソナルコンピューター（以下、「ＰＣ」とする）７０と、ＡＥセンサー２０からの検出信号の波形を表示するオシロスコープ６０とを備えている。

［電力ケーブル］
試験に供する電力ケーブル１０は、図２に示すように、導体１１を中心として内部半導電層１２、絶縁層１３、外部半導電層１４、遮蔽層１５、半導電性テープ層１６が内側から順番に形成されている。
そして、上記電力ケーブル１０を収容する金属被１７は、ステンレス製の波付き管からなり、当該金属被１７の外周全体にはコールタールやビニール等の樹脂からなる防食層１８が被覆形成されている。
上記繰り返し曲げ試験装置１００では、防食層１８が形成された金属被１７に対して、電力ケーブル１０が収容されていない状態で繰り返し曲げ試験を実施する。

［曲げ動作付与機構］
曲げ動作付与機構３０は、主に、複数の固定金具３２により金属被１７の一端部を片持ちの状態で固定支持するテーブル３１と、自由端となる金属被１７の他端部に装着される保持枠３３と、金属被１７の他端部に対して上下動を付与するための駆動源となるモーター３７と、全体構成を支持するフレーム４０とを備えている。

さらに、曲げ動作付与機構３０は、保持枠３３に固定連結され、フレーム４０に対して上下動可能に支持された棒状体３４、棒状体３４の下端部に固定装備されたラック歯３５と、モーター３７の出力軸に装備されたピニオン歯車３６とを備えている。
上記ピニオン歯車３６は、ラック歯３５に噛合し、モーター３７の駆動により棒状体３４を介して保持枠３３に上下動を付与することが可能となっている。
モーター３７は、例えば、ステッピングモーターであり、ＰＣ７０からの制御指令に従ってモータードライバー３９が駆動させる。
繰り返し曲げ試験では、予め定めされた位置まで金属被１７の一端部を上昇させた後に予め定めされた位置まで金属被１７の一端部を下降させ、その後に元の高さに戻す上下方向の往復動作を繰り返し実行させる。
また、上述の往復動作のストロークは、ＰＣ７０により任意に変更することが可能となっている。

［ＡＥセンサー］
ＡＥセンサー２０は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛等のセラミック圧電素子を備え、当該圧電素子を内蔵するケースが機械的共振を生じる構造を有することにより、特定の周波数の弾性波を高感度で検出することが可能な検出素子である。
上記ＡＥセンサー２０は例えば、60[kHz]〜1[MHz]の範囲弾性波を高感度で検出することが可能である。この帯域は、金属の変形及び破断の際に生じる弾性波の帯域を含んでいる。これにより、曲げ動作付与機構３０の作動音やその他のノイズの影響を抑えて専ら金属被１７の破断発生時の弾性波を効果的に検出することができる。

上記ＡＥセンサー２０は、検出面にグリス等を塗布して密着度を高めた状態で金属被１７の自由端側のいずれかの部位に取り付けられている。また、図１ではＡＥセンサー２０が図中に現れるように金属被１７の外周面上に設けた状態を便宜的に図示しているが、実際上は、防食層１８を避けて金属被１７の内周面側にＡＥセンサー２０を取り付けることが望ましい。

上記ＡＥセンサー２０は図示しないプリアンプ及びメインアンプを通じてその検出信号を増幅させてオシロスコープ６０に入力している。
なお、上述したＡＥセンサー２０の高感度検出帯域の数値は一例であり、測定の対象とする金属被１７の材質、寸法等に応じて適切な検出帯域のＡＥセンサー２０を選択することが望ましい。

［オシロスコープ及びＰＣ］
オシロスコープ６０は、増幅されたＡＥセンサー２０からの検出信号を時系列の波形に変換してモニターに表示する。
ＰＣ７０は、オシロスコープ６０を介してＡＥセンサー２０と接続され、モータードライバー３９を介してモーター３７と接続されている。
ＰＣ７０は、モータードライバー３９を通じてモーター３７に対して上下方向の往復動作を行うための動作指令を繰り返し出力する。また、ＰＣ７０は、金属被１７に対する曲げ回数をカウントしており、モータードライバー３９に対して一往復分の動作指令を出力する毎に金属被１７の曲げ回数を一つカウントアップする。

また、ＰＣ７０は、ＡＥセンサー２０の検出信号から、所定帯域の弾性波の振動振幅の増加が生じていないか否かを監視する。
図３は曲げ動作が付与されている金属被１７に取り付けられたＡＥセンサー２０の検出信号の出力波形を示しており、横軸は経過時間、縦軸は検出された振動振幅の大きさを示している。そして、図中の符号Ｔは金属被１７に破断が発生した時間であり、弾性波の振動振幅が、破断の発生直後から破断前に比較して急激に大きくなっていることが分かる。
ＰＣ７０は、破断が生じていないときの曲げ動作時に発生する弾性波の検出による振動振幅と金属被１７の破断時に発生する弾性波の検出による振動振幅との間の範囲で閾値を定めている。これにより、ＡＥセンサー２０が出力する弾性波の振動振幅が閾値を超える場合に金属被１７に破断が発生したことを検出できる。
さらに、ＰＣ７０は、ＡＥセンサー２０の出力から金属被１７の破断を検出すると、前述した曲げ回数のカウントを終えて、それまでに積算されたカウント値を破断までの曲げ回数として記録する。この時、当該曲げ回数に関連づけて、金属被１７に加えられていた上下方向の往復動作のストロークの値も同時に記録する。
上下方向の往復動作のストロークは金属被１７に生じる歪み量であり、この値から金属に１７に加えられた応力を算出することができる。
例えば、同一仕様の金属被１７に対して、複数の異なるストロークで破断までの曲げ回数を計測することにより、金属被１７のＳ−Ｎ曲線を求めることが可能である。なお、Ｓは金属被１７に加えられた応力（歪み）であり、Ｎは破断までの曲げ回数を示している。即ち、ＰＣ７０は、複数の異なるストロークで破断までの曲げ回数を計測し、収集したデータからＳ−Ｎ曲線を求め、モニターに表示することが可能となっている。

［繰り返し曲げ試験方法］
上記繰り返し曲げ試験装置１００を用いて行われる繰り返し曲げ試験方法について、順を追って説明する。
まず、防食層１８が形成された金属被１７の一端部側を曲げ動作付与機構３０のテーブル３１に固定する。そして、片持ち状態となった金属被１７の他端部に保持枠３３を装着する。また、金属被１７の自由端側にＡＥセンサー２０が取り付けられる。
そして、ＰＣ７０は、モーター３７の駆動を開始させると共に動作指令をカウントして金属被１７の曲げ回数のカウントを開始する。
また、ＰＣ７０は、モーター３７の駆動開始と同時にＡＥセンサー２０の検出する弾性波の振動振幅が閾値を超えるか否かを監視する。
一方、金属被１７は、自由端側に上下の往復動作が付与されてその都度変形により音が発生し、弾性波としてＡＥセンサー２０に検出されが、破断を伴わない変形に基づく弾性波の振動振幅は閾値を超えるレベルには達しない。
そして、金属被１７が繰り返される曲げ動作により破断を生じると、単なる変形の場合よりも大きな音が発生し、ＡＥセンサー２０が検出する弾性波の振動振幅が閾値を超える。
これにより、ＰＣ７０は、モーター３７を停止させると共にそれまでに積算された曲げ回数を記録する。即ち、金属被１７の繰り返し曲げ試験における破断に至るまでの曲げ回数が計測され、当該曲げ回数と上下方向の往復動作のストロークの値とが記録される。

［実施形態の技術的効果］
以上のように、繰り返し曲げ試験装置１００によれば、金属被１７に対する繰り返しの曲げ動作によって生じる破断時の音に基づく弾性波をＡＥセンサー２０で検出するので、密閉した状態での内部圧力の低下から破断を検出する場合のように、防食層１８の影響を受けることなく破断の発生をより精度良く検出することが可能である。
このため、防食層１８が形成された金属被１７について、繰り返し曲げ試験における破断に至るまでの曲げ回数をより正確に計測することが可能となる。
従って、金属被１７の繰り返し曲げ疲労に対する耐久性を正しく評価することができ、金属被１７の強度を必要以上に高めることなく正しく設計することが可能となる。
また、ＡＥセンサー２０により金属被１７の破断時の弾性波を検出するので、周囲の雑音等による弾性波の影響を抑制しつつ、金属被１７の破断時の弾性波をより精度良く検出することが可能である。

［その他］
上記実施形態では、絶縁油を使用しないＣＶケーブル等の電力ケーブル１０を収容する金属被１７を繰り返し曲げ試験の測定対象とする場合を例示したが、例えば、絶縁油を含んだ絶縁紙を絶縁層とするいわゆるＯＦケーブルを収容する金属被を測定対象とすることも可能である。
また、超電導導体を導体とした超電導ケーブルを収容して内部に冷媒を充填するための金属被を繰り返し曲げ試験の測定対象とすることも可能である。
さらに、送電用のケーブルに限らず、光ファイバー等のデータ伝送用の通信ケーブルを収容する金属被を繰り返し曲げ試験の測定対象とすることも可能である。

また、繰り返し曲げ試験装置１００では、片持ち梁式の曲げ動作付与機構３０により金属被１７に繰り返し曲げ動作の付与を行っているが、これに限らず、例えば、Ｕ字ベンド式の曲げ動作付与機構により繰り返し曲げ動作の付与を行ってもよい。
また、曲げ動作付与機構３０の機構構造は上記のものに限られず、例えば、金属被１７の端部に任意のストロークで曲げ動作を繰り返し付与することが可能であれば、異なる機構構造を用いてもよい。

１０ 電力ケーブル
１７ 金属被
１８ 防食層
２０ ＡＥセンサー（検出素子）
３０ 曲げ動作付与機構
７０ ＰＣ（測定部）
１００ 繰り返し曲げ試験装置

Claims (4)

1. ケーブルを収容する管状の金属被に弾性波を検出する検出素子を設けた状態で、前記金属被に対して曲げを生じさせる動作を繰り返し付与し、
   前記曲げを生じさせる動作の開始から前記検出素子が前記金属被の破断発生による弾性波を検出するまでの曲げ回数を測定することを特徴とするケーブルの金属被の繰り返し曲げ試験方法。
2. 前記検出素子は、ＡＥ（Acoustic Emission）センサーであることを特徴とする請求項１記載のケーブルの金属被の繰り返し曲げ試験方法。
3. ケーブルを収容する管状の金属被から生じる弾性波を検出する検出素子と、
   前記金属被に対して曲げを生じさせる動作を繰り返し付与する曲げ動作付与機構と、
   前記曲げを生じさせる動作の開始から前記検出素子が前記金属被の破断発生による弾性波を検出するまでの曲げ回数を測定する測定部とを備えることを特徴とするケーブルの金属被の繰り返し曲げ試験装置。
4. 前記検出素子は、ＡＥ（Acoustic Emission）センサーであることを特徴とする請求項３記載のケーブルの金属被の繰り返し曲げ試験装置。