JP2015516082A - 中空軸の損傷を検出するための方法 - Google Patents

Abstract

径方向に取り囲むノッチ、開口部、又は、チャネルを有さない中空軸（１）の損傷を検出するための方法において、（ａ）信号を送受信するためのセンサ（１９）を、前記中空軸（１）の端面（２１）に配置するステップと、（ｂ）信号を送信し、当該信号のエコーを受信するステップと、（ｃ）前記信号の送信時点から前記エコーの受信までの前記信号の所要時間を求めるステップと、（ｄ）前記信号の所要時間と所定の目標値とを比較して、偏差している場合には警告を出力するステップと、を有することを特徴とする方法。

Description

本発明は、径方向に取り囲むノッチ、開口部、又は、チャネルを有さない中空軸の損傷を検出するための方法に関する。

回転要素を有する全ての装置において、軸が使用されている。この場合には軸が駆動される。特に大型の装置の場合には、材料を節約するために中空軸を使用することが一般的である。例えば軸を冷却又は加熱する必要がある場合にも、中空軸が使用される。

特にニーダー又はドライヤーにおいて使用する場合には、軸の外周に例えばフックやパドルのような機能部品が設けられており、この機能部品を用いて、乾燥又は捏和すべき材料が動かされる。これにより機能部品を介して軸に対して力が加わり、この力によって軸が損傷することがある。この場合に決定的なのはまず、材料疲労や材料損傷であり、これによってひび割れが発生する可能性がある。このようなひび割れは、最悪のケースでは軸の破損を引き起こし、ひいては、軸が使用されている装置の修復不能な故障を引き起こしかねない。

このような軸の損傷を回避するために、軸の損傷、特に外部から視認できない軸のひび割れを定期的にチェックする必要がある。このためには通常、超音波測定法が使用される。これに関して、従来方法では軸の外被の表面全体が走査され、欠陥箇所があれば、エコーの反射が変化することによってこのような損傷を示す信号が形成される。しかしながらこの方法の欠点は、チェックするために軸を装置から取り外すか、又は、軸にアクセスするために相応の装置を開けなければならないことである。さらなる欠点は、外被の全長に亘ってチェックするために必要な時間的コストが大きいことである。外表面を測定する他に、中空軸の場合には内側から測定することも公知である。このことは例えばＤＥ１９９５２４０７Ａ１に記載されている。しかしながらこの場合にも、特に軸が長い場合には、軸全体を測定し終わるまで多くの測定を実施しなければならないという欠点がある。

タービン軸のひび割れをチェックするために、ＤＥ−Ａ３７２８３６９から、取り付け用のクサビを用いてプローブを軸の端面に結合させることが公知である。プローブは所定の周波数の超音波パルスを送信し、機械的な装置によって端面の前で動かされる。使用される軸は、この場合には一般的に中実軸であり、端面から軸の表面の方向へと信号が送信される角度が、クサビによって調整される。この角度は、軸全体を端面から検出できるように調整される。しかしながら上記の方法は、壁厚が薄い中空軸に対しては使用することができない。特に、プローブがただ小さく傾くだけで、信号が軸の全長を通過しなくなってしまうので、軸の全長に亘って軸の損傷をチェックすることができなくなる。

従って本発明の課題は、軸を取り外すことなく確実に実施することができる、中空軸の損傷を検出するための方法を提供することである。

この課題は、径方向に取り囲むノッチ、開口部、又は、チャネルを有さない中空軸の損傷を検出するための方法において、
（ａ）信号を送受信するためのセンサを、前記中空軸の端面に配置するステップと、
（ｂ）信号を送信して、当該信号のエコーを受信するステップと、
（ｃ）前記信号の送信時点から前記エコーの受信までの前記信号の所要時間を求めるステップと、
（ｄ）前記信号の所要時間と所定の目標値とを比較して、偏差している場合には警告を出力するステップと、
を有する方法によって解決される。

本発明の方法によれば、軸が取り付けられた状態でも検査することが可能となる。従来技術から公知の方法とは異なり、チェックのために軸を取り外す必要はなくなる。また、例えば軸を収容する装置が大型である場合にも、測定を実施するために軸を完全に露出させる必要がなくなる。軸の端面にアクセスできるようにすれば充分である。軸の端面にアクセスできれば、測定を実施することが可能である。これに関して例えば、周全体を測定するために、使用しているセンサを１つの位置に維持したまま、軸の方を一回転させることが可能である。

特に、長さに比べて壁厚が薄い軸に対して本発明の方法を実施するためには、中空軸の端面と、中空軸の主軸との角度が、８９°乃至９１°の範囲、より好ましくは８９．９５°乃至９０．０５°の範囲であるとさらに有利である。中空軸の端面と、中空軸の主軸との角度を相応に設定することにより、信号が軸の全長に亘って軸の外被を通り抜け、軸の終端まで到着するよう保証することができる。このようにすれば、軸のいかなる位置にある損傷も、例えばひび割れも、検出することが可能となる。

外被のいかなる位置にあるひび割れをも検出するために、軸の端面において、外被の内側面と主軸との径方向間隔と、主軸と外被の外側面との径方向間隔との間にある領域に、センサを配置するとさらに有利である。さらに、例えば外被の壁厚が比較的厚い場合には、外被の内側面と、外被の外側面との間の領域においてセンサを動かすことが可能である。それと同時に、上で既に述べたように、センサを外被の周に亘って移動させるべきである。このことは、センサを外被の周に亘って移動させることによって実施できるか、又は択一的に、センサを１つの位置に維持したまま軸の方を回転させることによって実施することができる。この場合には、測定中にセンサが１つの位置に留まるようにするために、軸を段階的に少しずつ移動させて、新たに測定すると特に有利である。

センサとして好ましくは、パルス・エコー法に従って動作するセンサが使用される。このようなセンサは、信号を送信し、例えばひび割れ又は収縮空洞のような不連続部分において反射された当該信号のエコーを受信する。センサから送信される信号は、好ましくは超音波信号である。特に、信号は超音波信号であり、センサは超音波センサである。

本発明の方法を実施するために使用できる適当な超音波センサは、例えば０．１乃至１ＭＨｚの範囲の動作周波数を有する。適当なセンサは例えば、コンポジット形式において０．５ＭＨｚの周波数で動作するセンサである。このために例えば、GE Measurement & Control Solutions社のプローブＢ１Ｆを使用することができる。

本発明の方法は特に、２乃至１６ｍの範囲、特に３乃至１２ｍの範囲の長さを有する中空軸のために適している。このような中空軸は、例えばパドルドライヤー、ディスクドライヤー、又は、ニーダーにおいて使用されている。このような中空軸を、例えば化学装置及び化学設備のような他の装置において使用することも可能である。軸の用途に応じて、例えばパドル、ディスク、又は、捏和部品といった機能部品を軸の上に溶接することができる。センサを適切に配置することによって、例えばパドル、ディスク、又は、捏和部品といった機能部品が溶接された中空軸上の溶接継ぎ目における損傷も、識別することが可能である。

本発明の方法を実施するために使用可能な軸の長さは、特にセンサの射程距離によって規定されている。端面と軸の外被との間の角度がより精密に製造されていればいるほど、すなわちこの角度が９０°に近ければ近いほど、射程距離も拡大する。直角から偏差している場合には、センサから送信された信号は、軸の表面の方向へと送信されてしまうので、この信号は、軸の外被を全長に亘っては貫通しない。この理由から、軸の長さが比較的長い場合には、端面と外被の表面との間の角度をより精確に配向する必要がある。この配向の精確性は、角度が偏差している場合には、クサビを挿入することによっても達成することができる。このためには、各測定位置ごとに、端面と外被との間の厳密な角度を検出し、それから適切なクサビを選択する必要がある。クサビの材料は、できるだけ中空軸に類似した音響特性を有するように選択すべきである。

測定エラーを排除するために、コンタクト手段を用いてセンサを中空軸の端面の上に載置するとさらに有利である。このコンタクト手段は、好ましくは、中空軸の材料に類似した音響特性を有するように選択される。クサビを使用する場合には、コンタクト手段は、センサとクサビとの間、及び、クサビと軸との間に取り付けられる。

本発明の方法はさらに、金属材料から製造された中空軸のために適している。中空軸の材料として、例えば鉄を含有する金属、例えば鋼、又は、アルミニウムも適している。

測定エラーをさらに排除するために、軸の端面をメッキしないようにすることが好ましい。好ましくは、測定用のセンサが載置される中空軸の端面が、中実材料によって製造又は溶接されている。

溶接継ぎ目に欠陥がない場合にも信号は反射されないので、この溶接継ぎ目が軸の欠損箇所であると識別されることはない。

本発明の実施例を図面に示し、以下の記載においてより詳細に説明する。

センサが載置されている中空軸の破断図である。 中空軸の断面図である。

図１には、センサが載置されている中空軸の破断図が図示されている。

中空軸１は、多くの装置において使用されている。このような装置は、装置内で材料が搬送又は循環される、例えばミキサー、ニーダー、又は、ドライヤーである。装置の機能性を保証するために、中空軸１は通常ケーシング３によって包囲されている。ケーシング３は、少なくとも片側に通路口５を有しており、この通路口５を貫通して軸ジャーナル部７が挿入されている。軸ジャーナル部７は、例えばモータ及びトランスミッションのような駆動部に接続されている。中空軸１は、軸ジャーナル部７を介して回転させることができる。中空軸１の、駆動部とは反対側の端部には、例えば支承するためだけに使用される第２の軸ジャーナル部が設けられている。しかしながら図１に図示したような軸ジャーナル部７の他にも、当業者には周知の他の任意の方法で中空軸１を支承及び駆動させることも可能である。

軸が中空軸１として形成されているので、中空軸１の中には例えば熱媒体を通流させることができ、これによって、中空軸１を用いて輸送、循環、又は、搬送すべき、装置内に収容されている材料の温度を制御することができる。このために例えば、軸ジャーナル部７にチャネル９を形成することができる。チャネル９を介して、中空軸１によって包囲されているスペース１１の中に例えば蒸気、水、又は、熱媒油を導入して、中空軸の中を通流させることができる。

中空軸１の搬送機能、混合機能、又は、捏和機能を保証するために、好ましくは中空軸１に機能部品１３が取り付けられている。この機能部品１３は、例えばパドル、ディスク、又は、捏和部品とすることができる。

機能部品１３の形態は、装置の用途に応じて決められる。例えば装置がニーダーとして使用される場合には、機能部品１３は、好ましくは捏和部品である。装置がドライヤーとして使用される場合には、機能部品１３として、好ましくはディスク又はパドルが設けられる。

特に乾燥用の装置において中空軸１を使用する場合には、機能部品１３も温度を制御できるようにすると有利である。このために例えば機能部品１３を中空に形成し、チャネル１５を介して中空軸１の内部スペース１１に接続させることができる。熱媒体は、チャネル１５を介してスペース１１から、中空に形成された機能部品１３の中へと流入することができる。好ましくは、機能部品１３に第２のチャネル１５が設けられており、この第２のチャネル１５を介して、熱媒体を中空軸１のスペース１１の中へと再び導き戻すことができる。チャネル１５は、例えば孔の形態で形成することができる。

特に中空軸１を有する装置が、大流量を必要とする方法のため、又は、処理が大量となる方法のために使用される場合には、相応にしてこの装置も大型に構成されている。従って中空軸１は、例えば２乃至１６ｍの範囲の長さを有することができる。これに対応する大型の装置は、例えば衛生用品において超吸収剤として使用されるポリ（メタ）アクリレートを製造する場合に使用される。この場合の中空軸１は、ポリ（メタ）アクリレートが製造されるニーダーリアクタにおいて、並びに、後続処理に使用されるドライヤーにおいて使用される。装置をそのつど開けたり、何トンもの重量があって取り扱いが困難なケーシングカバーを取り外したりすることなく軸に簡単にアクセスできるようにするために、ケーシング３には例えばマンホール１７が形成されており、このマンホール１７は、人が通って装置の中に進入することができるような寸法に設計されている。このことは例えば、中空軸１又は機能部品１３に稼働による損傷が発生していないかを確認するための検査を行うために必要である。

しかしながら特に、中空軸１の故障を引き起こす可能性がある微細なひび割れは、通常の方法では直接認識することはできない。このために、超音波信号を軸へと送信して、例えば収縮空洞やひび割れ等のような欠陥箇所にて反射された信号のエコーを受信する、例えば超音波測定方法のような測定方法を使用しなければならない。信号の送信からエコーの受信までの信号の所要時間から、欠陥箇所の位置を識別することができる。信号の所要時間が、軸の長さを通り抜けるために必要となるはずの所要時間に相当しない場合に、このような欠陥箇所が判明する。中空軸においては通常、このような測定方法が外周に亘って実施される。これにより、中空軸１の検査を実施するために多数の測定位置が必要となる。さらに中空軸１にはマンホール１７を通ってアクセスするしかなく、アクセスが非常に困難である。軸を包括的にチェックするためには、ケーシング３を開けて、軸にアクセスする必要があろう。

従って本発明によれば、欠陥箇所を検出するために、センサ１９が中空軸１の端面２１に配置される。センサ１９は、中空軸１の外被２７の外側面２３と内側面２５との間に配置される。中空軸１の全長に亘って測定するために、端面２１と外被２７の外側面２３との間の角度は、相応する角度のせいで信号が外被２７の外側面２３に到達しないように、また、外側面２３にて反射されないように、精確に規定されている。従って、端面２１と外被２７の外側面２３との間の角度は、好ましくは８９乃至９１°の範囲、より好ましくは８９．９５乃至９０．０５°の範囲にある。こうすることにより、外被２７の壁厚が薄くて軸が長い場合にも、センサ１９を端面に配置することによって確実な測定結果を得ることが可能となる。センサ１９によって検出されたデータを読み出すことができるように、センサ１９は通常、制御装置２９に接続されている。センサ１９と制御装置２９との接続は、一般的にはケーブル３１を介して実施される。しかしながら択一的に、ワイヤレスの通信も可能である。しかしながらケーブル３１を使用すると、例えばセンサ１９のために必要な給電部を制御装置２９の中に収容させることができるので、センサ１９の構造をよりコンパクトにできるという利点がある。こうすることによってセンサ１９は、軸１とケーシング３との間の空隙が小さい場合にも使用することが可能となる。

確実な測定結果を得るためにはさらに、中空軸１の端面２１をメッキしないようにすべきである。確実な測定結果は、中空軸１と端面２１とが中実材料によって製造されている場合にのみ得られる。これに関して、一方では中実材料を使用することができ、又は択一的に、溶接を使用することもできる。但し、センサ１９の信号が当たって反射してしまうような中空のスペース、ひび割れ、又は、収縮空洞は、いかなる形態であっても存在してはいけない。

本発明の方法によれば、チャネル１５が配置されている領域においてだけは測定することができない。このような理由から、全てのチャネル１５を一直線に並んで配置すると有利である。例えばひび割れは通常、１つのチャネルから隣接するチャネルまで直線形に延びることはないので、チャネル１５が測定を阻害することはない。さらに、チャネル１５をできるだけ小さく形成すると有利である。

択一的に、信号が２つのチャネル１５の間を通過するように、センサ１９を例えば僅かに角度付けて配置することもできる。これに関して例えば、中空軸１の外被２７全体をそれぞれチェックするために、センサが配置される角度を、適当なアタッチメントを用いて種々異なる角度に調整することが可能である。センサ１９と中空軸１の端面２１との接続は、好ましくは、中空軸１の材料に類似した音響特性を有する適当なコンタクト手段によって実施される。端面２１と外被の外側面２３との間の角度が直角ではない場合には、クサビの形態の相応のアタッチメントを使用することもできる。

図１に図示したような中空軸の断面が、図２に図示されている。中空軸１は、機能部品１３としてディスクを有しており、これらのディスクは、各々２つのチャネル１５を介して、中空軸１の内部にあるスペース１１に接続されている。軸の損傷を測定するためには、センサ１９を一度外被２７の周に亘って移動させ、各測定位置において測定を実施する。このために中空軸１をそれぞれ少しずつ回転させていき、センサ１９は１つの位置に維持しておくことができる。中空軸が静止状態にある場合には、択一的に、センサ１９の方をそれぞれ少しずつ移動させていくことも可能である。それぞれチャネル１５が存在する箇所においてだけは、評価可能な測定結果を得ることはできない。

１ 中空軸
３ ケーシング
５ 通路口
７ 軸ジャーナル部
９ チャネル
１１ スペース
１３ 機能部品
１５ チャネル
１７ マンホール
１９ センサ
２１ 端面
２３ 外側面
２５ 内側面
２７ 外被
２９ 制御装置
３１ ケーブル

Claims (13)

1. 径方向に取り囲むノッチ、開口部、又は、チャネルを有さない中空軸（１）の損傷を検出するための方法において、
   （ａ）信号を送受信するためのセンサ（１９）を、前記中空軸（１）の端面（２１）に配置するステップと、
   （ｂ）信号を送信し、当該信号のエコーを受信するステップと、
   （ｃ）前記信号の送信時点から前記エコーの受信までの前記信号の所要時間を求めるステップと、
   （ｄ）前記信号の所要時間と所定の目標値とを比較して、偏差している場合には警告を出力するステップと、
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記中空軸（１）の前記端面（２１）において、外被（２７）の内側面（２５）と主軸との径方向間隔と、前記外被（２７）の外側面（２３）と主軸との径方向間隔との間の領域に、前記センサ（１９）を配置する、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記センサ（１９）は、超音波センサである、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記超音波センサ（１９）は、０．１乃至１ＭＨｚの範囲の動作周波数を有する、
   ことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記中空軸（１）は、２乃至１０ｍの範囲の長さを有する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の方法。
6. 前記センサ（１９）を、コンタクト手段を用いて前記中空軸（１）の前記端面（２１）の上に載置する、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の方法。
7. 前記中空軸（１）を、金属材料から製造する、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の方法。
8. 前記センサ（１９）が載置される前記中空軸（１）の前記端面（２１）を、中実材料から製造又は溶接する、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の方法。
9. 前記端面（２１）を、素材結合によって前記外被（２７）に接続させる、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の方法。
10. 前記端面（２１）と前記中空軸（１）との角度は、８９°乃至９１°の範囲にある、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の方法。
11. 前記中空軸（１）は、パドルドライヤー、ディスクドライヤー、又は、ニーダーにおける軸である、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載の方法。
12. 前記中空軸の上に、機能部品（１３）を溶接する、
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項記載の方法。
13. 前記機能部品（１３）は、パドル、ディスク、又は、捏和部品である、
    ことを特徴とする請求項１２記載の方法。

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