JP2023153584A - 超音波検査方法、超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動部を有する構造物に適用するのに好適な超音波計測方法および装置を提供することを目的とする。【解決手段】摺動部を有する構造物の、摺動部の軌道面とその近傍を検査する超音波検査方法であって、構造物の外表面上に設定した計測点に超音波センサを設置する第１のステップと、軌道面の近傍に超音波の焦点が形成されるように超音波の送受信条件を設定して送受信を開始する第２のステップと、受信した超音波の摺動部の軌道面に由来する形状エコーの強度を取得する第３のステップと、超音波センサを移動させて形状エコーの強度が所定の強度より低くなったことをもって超音波センサの移動を停止する第４のステップと、停止状態で超音波を送受信する第５のステップと、第５のステップで取得された後方散乱波の強度から摺動部を有する構造物の損傷の有無を判定する第６のステップを有することを特徴とする超音波検査方法。【選択図】図１０

Description

本発明は、摺動部品に対して超音波センサを用いて表面状態の計測評価を行う超音波計測方法および装置に関する。

構造物内部の微小な欠陥を評価可能とする公知技術として特許文献１が知られている。特許文献１では、超音波ビームを摩擦圧接材に対して集束点が内部の圧接した部位に位置するように斜めに入射させ、摩擦圧接材の内部に存在する欠陥からの後方散乱波を検知し、該後方散乱波に含まれる林状エコーを含む欠陥を示す情報から内部欠陥を検出する超音波検査方法および装置について述べている。

特開平５－３３２９９７号公報

特許文献１では、構造物の内部を対象にしており、構造物の摺動面とその近傍を検査する方法に適さない。すなわち、特許文献１の方法を用いて構造物の摺動面とその近傍を検査する場合、試料表面に起因する形状エコーと、試料表面の欠損に起因するエコーとが同時に検知されるため、分離することができない。

以上のことから本発明においては、摺動部を有する構造物に適用するのに好適な超音波計測方法および装置を提供することを目的とする。

以上のことから本発明においては、「摺動部を有する構造物の、摺動部の軌道面とその近傍を検査する超音波検査方法であって、構造物の外表面上に設定した計測点に超音波センサを設置する第１のステップと、軌道面の近傍に超音波の焦点が形成されるように超音波の送受信条件を設定して送受信を開始する第２のステップと、受信した超音波の摺動部の軌道面に由来する形状エコーの強度を取得する第３のステップと、超音波センサを移動させて形状エコーの強度が所定の強度より低くなったことをもって超音波センサの移動を停止する第４のステップと、停止状態で超音波を送受信する第５のステップと、第５のステップで取得された後方散乱波の強度から摺動部を有する構造物の損傷の有無を判定する第６のステップを有することを特徴とする超音波検査方法」としたものである。

また本発明においては、「摺動部を有する構造物の、摺動部の軌道面とその近傍を検査する超音波検査装置であって、摺動部を有する構造物の軌道面近傍に超音波を集束可能な集束型の超音波センサと、超音波センサを固定・回転・押し付ける機能を有するセンサ把持装置と、超音波センサを外表面上で移動させるセンサ軌道レールと、計測条件に基づいて超音波を送受信し、受信波は、波形データとして取得するパルサレシーバと、制御処理部を備え、制御処理部は、構造物の外表面上に設定した計測点に前記センサ把持装置を用いて超音波センサを設置した状態で、軌道面の近傍に超音波の焦点が形成されるように超音波の送受信条件を設定して送受信を開始させ、パルサレシーバで受信した超音波の形状エコーの強度を取得し、超音波センサをセンサ把持装置またはセンサ軌道レールの少なくともいずれか１つで移動させ、形状エコーの強度が所定の強度より低くなったことをもって超音波センサの移動を停止し、パルサレシーバを用いて停止状態で超音波を送受信し、取得された後方散乱波の強度から摺動部を有する構造物の損傷の有無を判定することを特徴とする超音波検査装置」としたものである。

本発明により、摺動部を有する機器の軌道面とその端部周辺の超音波検査が可能になる。

一般的な超音波探傷方法についての模式図。 構造物表面の粗い面についての模式図。 集束超音波による後方散乱成分の発生についての模式図。 フェーズドアレイ法による粗い面の探傷の模式図。 平滑な面と粗い面のフェーズドアレイ法による検出性の比較結果を示す図。 ベアリングとその断面の模式図。 フェーズドアレイ法によるベアリング軌道面の画像化結果の一例を示す図。 後方散乱成分による検査方法の一例を示す図。 本発明の実施例１に係る検査方法を模式的に示す図。 本発明の実施例１に係る検査方法を示すフロー。 本発明の適用結果を示す図。 本発明の剥離断面積を求めるときの処理フロー。 本発明の剥離断面積の求め方の一例を示す図。 本発明による製品管理方法の一例を示す図。 本発明の検査を実施するための装置構成例を示す図。 外輪の剥落部位においてベアリングボールと外輪が接触不可能となっていることを示す図。 本発明に係るベアリングの運用方法を示すフロー。 損傷率の時間変化を示す図。

まずは、従来技術について説明する。

電力プラント、モビリティ、家電など、様々な分野で摺動部品が利用されている。大型の摺動部品としては、風力発電所や火力発電所では回転部・増速部・発電部のベアリングが、小型の摺動部品としては、自動車や飛行機ではエンジン動弁系部品がある。中でも、発電所に用いられるベアリングには、生産性と経済性を両立するため、高い信頼性と長い寿命が求められる。したがって、運転状態の監視はもちろん、定期的な潤滑剤の補給・入れ替え、分解検査など、メンテナンスが必要となるが、特に高所に設置する風力発電において、メンテナンスはコストと時間を要する。

このような摺動部を有する構造物を非分解で保守する方法としては、油分析や、異音・騒音・温度・振動のデータから異常診断する方法が知られている。これらの方法で異常を判断することはできるが、一般的に、損傷場所を精度よく特定することや損傷量を定量評価することは難しい。例えば、適用実績が多い油分析では、分光技術により油中に存在する金属の量と種類の微量測定が可能で、運転時間に対する摩耗量の標準値を経験的に定めて管理することができる。しかしながら、油の採取箇所・採取量・平均回数などに応じて定量分析結果にバラツキが生じ、損傷量を精度よく把握することは難しい。

他方、超音波計測により、ベアリングなどの摺動部を有する構造物の損傷量を非分解で定量評価する方法が知られている。なお以下では特に断りのない限り、摺動部を有する構造物としてベアリングを対象とした検査を例に述べるが、ベアリング以外の摺動部を有する構造物にも適用可能である。

一般的な超音波探傷方法について図１を用いて説明する。ベアリングの損傷は、過負荷や摩耗を要因として、外表面からアクセスが困難な軌道面や転動面の近傍で生じることが多い。一方、超音波検査では一般的に図１に示すように、検出したい構造物２の欠陥種類に合わせ、き裂４に対しては斜角探傷センサ１ｂ、剥離３に対しては垂直探傷センサ１ａを用いるというように適切な探傷方法を適用する。すなわち、超音波の入射角を選定して検査する必要がある。

構造物表面が粗いときの探傷について図２を用いて説明する。構造物２であるベアリングの軌道面には、軌道面に生じうる小さいフレーキング（剥離）面や粗い面５が形成されやすい。粗くなった表面５は、これを検出しようとしても、センサ１ａを用いた垂直探傷法ではエコー位置は軌道面のエコーとほとんど同じ位置で信号が分離できず、センサ１ｂを用いた単純な斜角探傷ではエコーが弱いために検出することができない場合がある。すなわち、図１に例示したこれらの一般的な手法では、粗くなった外表面、もしくは、外表面近傍の欠陥を検出することが困難である。

図３は、集束超音波による後方散乱成分の発生についての模式図である。ここでは、特許文献１の手法を、図１に示したような構造物内部の欠陥ではなく、外表面の近傍にある粗い面５を対象として、２次元的に面状に分布している微少な凹凸の検出・評価に適用することについて、説明する。図３に示すように、斜角探傷センサ１ｂを用いて、集束した超音波による斜角探傷で、入射波ｗ１のベクトルと反射波ｗ２のベクトルで張られる断面内で入射波ｗ１の粗い面５への入射角を大きくして反射波ｗ２を受信できないように斜角探傷センサ１ｂを設置すると、ある一定以上の粗い面５を検出することが可能である。

なお図３においてｗ３は粗い面５における散乱現象による散乱波であり、散乱波ｗ３のうち斜角探傷センサ１ｂに向かうベクトル成分が後方散乱波ｗ４である。粗い面５における超音波の散乱現象については、１９７０年代から１９８０年代にかけて理論的に解明されている。近年では、図４と図５を用いて後述するようにアレイセンサを用いたフェーズドアレイ法により、集束超音波を電子走査して断面像を出力することで、ある一定（目安として波長の１／８程度）以上の粗さをもった凹凸表面からの散乱波成分（後方散乱成分ｗ４）を容易に確認することができる。

図４は、フェーズドアレイ法による粗い面の探傷の模式図である。この図では構造物である試験片２に対してアレイセンサ１ｃから集束超音波を走査範囲６に対して照射する。このとき、外表面からの反射波により、形状エコー（底面エコー７，コーナーエコー８）、後方散乱成分ｗ４、底面エコー７と後方散乱成分ｗ４の重畳成分９が検知できる。

図５は、平滑な面と粗い面のフェーズドアレイ法による検出波形を比較した図である。図５ではモニタ画面９０を受信波表示部９１，走査範囲表示部９２により分割表示しており、上部は研磨された表面であるときのモニタ画面例を上部に、粗い表面であるときのモニタ画面例を下部に例示している。

研磨された表面であるとき、受信波表示部９１に表示される受信波の時系列信号は大きな変動はない。走査範囲表示部９２によれば走査範囲６には底面エコー７およびコーナーエコー８のみが観測されており、９３の部分の受信波解析結果を示す表面が研磨された表面であることがわかる。

これに対し粗い表面であるとき、受信波表示部９１に表示される受信波の時系列信号は、大きな変動はない時間領域９４と、そのあとに続く大きな変動をしている時間領域９３がある。走査範囲表示部９２によれば走査範囲６には底面エコー７およびコーナーエコー８が観測されているが、その他に時間領域９４の部分の受信波解析結果を示す材料内部の状態とともに、時間領域９３の部分の受信波解析結果を示す表面が粗い表面５であることがわかる。

以降の説明では、表面の微細な凹凸に起因して生じる散乱波ｗ３を効率よく発生させて、かつ感度良く後方散乱波ｗ４として受信するために集束超音波を用いることを前提条件として述べる。

上記したように、フェーズドアレイ法によれば散乱波成分（後方散乱成分ｗ４）を容易に確認することができるものの、しかしながら、ベアリングのように摺動部を有する構造物に対して、集束超音波による後方散乱成分ｗ４を検出する方法を活用した検査方法についての報告は多くない。

図６は、ベアリングとその断面の模式図である。図６下部には相対的に回転可能とされた外輪１０ａと内輪１０ｂにより構成されたベアリング１０を例示しており、ここで外輪１０ａおよび内輪１０ｂの外表面のうち、回転軸と直交している平坦な面１０ｃをＡ面、外輪１０ａの外表面のうち、円筒状の面１０ｄを側面と呼ぶこととする。

図６上部には、ベアリング１０の断面１０ｅにおける断面形状が示されており、外輪１０ａの断面と内輪１０ｂの断面の間の境界面１０ｉにベアリングボール１０ｆを備えている。なおベアリングボール１０ｆが外輪１０ａ、内輪１０ｂと接する境界面１０ｉ（軌道面１０ｇ）の上下には回転を円滑に行うためのオイルを保持する油溝部１０ｈが形成されている。摺動部を監視する本発明では、特に軌道面１０ｇが、粗い面５になっていることを確認するものである。

係るベアリングを対象とした、集束超音波による後方散乱成分ｗ４の検出手法の報告事例が少ない、その理由は明確で、図６に示すように、摺動部の内表面形状が大抵の場合複雑な断面形状をしており、かつ、センサを設置可能な領域が周辺の構造物やベアリングを固定するボルトやナットだけでなく、センサ自体のサイズによりかなりの制限を受けるからである。このため、軌道面１０ｇとその端部である軌道面上端１０ｊと１０ｋ近傍に生じうる損傷について、斜角探傷を適用しても軌道面とその端部１０ｇ、１０ｊ、１０ｋや油溝１０ｈの形状に起因する強い形状エコーが、垂直探傷をすると油溝１０ｈや内外輪の境界１０ｉ（底面）の強い形状エコーが軌道面や軌道面端部からの弱い散乱エコーと重畳して検査性が悪くなる。

一例として、視覚的にわかりやすいフェーズドアレイ法による斜角探傷で当該部を画像化した結果を図７に示している。図７では、その上部に示すように摺動部を有する構造物であるベアリング２に対して、図６の側面１０ｄ側にフェーズドアレイセンサ１ｃを配置し、軌道面１０ｇや油溝１０ｈや内外輪の境界面１０ｉを含む領域を走査範囲６として集束超音波を照射する。図７上部の位置関係では、フェーズドアレイセンサ１ｃを主たる監視対象部位である軌道面１０ｇや油溝１０ｈや内外輪の境界面１０ｉに対して、斜め方向から集束超音波を照射するように配置している。この時、図７下部に示すように、斜角の方向、すなわち軌道面１０ｇの曲率部の法線方向がセンサ位置と交わる周辺一帯には、強い形状エコー７，８が示されており、当該部周辺に損傷があっても形状エコー７，８と重畳して検知することができないことがわかる。

図８は、後方散乱成分による検査方法の一例を示す図であり、図８上部と図７上部との相違は、主たる監視対象部位である軌道面１０ｇや油溝１０ｈに対して、ほぼ垂直方向からの集束超音波を照射するように配置していることである。すなわち、ほとんどセンサ１ｃを油溝１０ｈの直上に配置し、軌道面１０ｇを垂直探傷に近い屈折角で検査することにより、形状エコー７，８を抑制し、後方散乱成分ｗ４の視認性を向上することができる。

図８左下部は、監視面が健全である場合であり、軌道面１０ｇと油溝１０ｈの境界部における上端形状エコーが検知されている。図８右下部は、監視面が損傷している場合であり、軌道面１０ｇからの後方散乱波が生じている状況が検知されている。

この方法では、軌道面１０ｇと軌道面上端の一部の検査を視認性良く実施できる。このため、油溝１０ｈの直上近傍にセンサを配置してベアリング周方向にスキャンすれば、損傷個所を効率良く見出すことが出来る。

その一方で、軌道面下端は超音波の伝搬経路がほとんど形状で遮られているため、超音波が当該部に集束するどころかほとんど伝搬できていない。そして、センサを単にＡ面１０Ｃの方向にずらしていっても、境界面１０ｉや、軌道面１０ｇと境界面１０ｉが成すコーナー（軌道面下端１０ｋ）からの強い反射波を受信せざるを得ないので、下端部周辺の評価が困難になる。

以上より、摺動部を有する構造物の外表面に超音波センサを設置し、構造物内部を伝搬させたのち、検査対象となる軌道面とその端部に到達し得る状況下において、構造物の形状に起因して生じる強いエコーと弱い散乱波を意図的に分離することが課題となる。さらには、このような摩耗や小さな欠損から始まり、剥落や割れに至った際に、表面状態の評価だけではなく、剥離体積の定量評価も困難であるという課題がある。

よって、摺動部の摺動面（軌道面とその端部）に生じる損傷に対して、有効な超音波検査方法を確立できていなかった。本発明は、電子走査による超音波検査を想定して述べる。なお、単一型（固定角）の集束超音波センサを用いた機械走査による検査にも適用可能である。

以下，本発明の実施例について、図面を用いて説明する。

なお、発明者らは、センサの設置方法を工夫することで、被検体形状に起因する強いエコーが指向性を有することを利用して、主たる反射波成分を消失させる一方で、比較的粗い表面から無指向的に生じた散乱波は後方成分も変わらずに残存する現象に着目し、新たな検査方法を確立した。すなわち、センサ設置範囲や入射角を調整して、後方散乱波が際立つように受信し、画像化することで視認性良く摺動面を検査することを可能とした。さらには、剥落した面の表面状態も、摩耗した表面と同様に凹凸のある表面状態になること、そして、検出した後方散乱波成分を画像化した分布が、粗い面の面形状を具現化していることに着目して、後方散乱波成分を画像化、強度評価することにより、剥落断面積や剥落量を推定することを可能としたものである。

本発明は、形状エコーを除外して計測するものであり、形状エコーが除外されるまでセンサを移動させて計測するものである。実施例１では、センサの回転移動について説明し、実施例２では外表面に沿った移動について説明する。

図７のような強い形状エコー７，８を、検査装置の感度を落とさず、むしろ強くしても意図的に消す方法としては、２つの手法が考えられる。１つの手法は、先に述べた回転移動を行うものであり、具体的には図８に示すように、ベアリングの油溝形状と曲面の形状を利用する方法である。

そこで本発明においては、図９に示すように、センサの配向方向を利用して形状エコーを抑制する方法を採用する。図９は、本発明の実施例１に係る検査方法を模式的に示した図である。図６下部で示した断面の方向を基準方向とするときに、センサ１ｃと断面がなす角を、配向角θとする。またこの時のセンサ１ｃの設置位置は、監視対象部位である軌道面１０ｇや油溝１０ｈが集束超音波の走査範囲６に含まれるように設定する。そのうえで配向角θを可変に設定して、各配向角θの時の受信波に、強い形状エコーを検知しない時の配向角θを得る。

すなわち、軌道面１０ｇの形状に起因するエコーがノイズレベルにまで消失するように、センサ１ｃをθ度だけ配向する。θの目安としては、２０度～５０度である。なお、軌道面１０ｇの形状に起因する強いエコーが消失していれば、軌道面の上下端１０ｊ、１０ｋに起因するコーナーエコーも同じく消失している。このようにすることで、センサ１ｃの配置面として、軌道面１０ｇからだけでなく、形状エコーの重畳を免れないＡ面１０ｃからも当該部の検査が可能となる。

ここでセンサ１ｃの回転移動は、断面に対して配向角θが得られれば良く、例えばセンサ１ｃの位置に回転軸を取る場合や、実施例２にて後述する外表面に沿った移動と組み合わせ、監視対象部位を回転軸とする場合が考えられる。センサ１ｃの位置に回転軸を取る場合、センサ１ｃの移動領域が小さくなり、周辺の構造物やベアリングを固定するボルトやナットの影響を受けづらい利点がある。ただし、軌道面までの路程、すなわち形状エコーの位置が回転角に依存すること、そして、適宜、集束条件を調整することが必要となる。一方で、監視対象部位を回転軸とした場合、軌道面までの超音波の路程の変化を抑制できるが、センサ１ｃの駆動パターンが複雑になる。

また、センサ１ｃにマトリクスアレイセンサを用いた場合には、アクセス面に対して垂直ではない任意の走査範囲６を電子的に設け、データ処理により可視化することが可能であり、その傾き角を配向角θとしても良い。

図１０は、本発明の実施例１に係る検査フローを示す図である。この処理における処理ステップＳ１では、超音波検査を開始し、次に処理ステップＳ２から処理ステップＳ４において、図７の状態とする。

具体的には、処理ステップＳ２で、構造物上の外表面上において設定した計測点にセンサ１ｃを設置する。処理ステップＳ３で、送受信条件を設定して送受信を開始する。ここで送受信条件とは、軌道面１０ｇ近傍に超音波の焦点を形成し、かつ、その焦点について軌道面１０ｇ近傍を機械走査もしくは電子走査することを可能とするための条件である。処理ステップＳ４では、監視対象物であるベアリングからの受信波を受信し、これに含まれる形状エコー強度を取得する。なお、形状エコー強度の大きさを判断するための基準感度は、あらかじめ標準試験片を用いて定めているか、その場で軌道面１０ｇの形状エコー強度を参考して定めるのが良い。

処理ステップＳ５では、形状エコー強度が電子ノイズ程度になるようにセンサ１ｃの配向を開始する。処理ステップＳ６では、形状エコーが出現すると予測する範囲をモニタしつつセンサ１ｃを配向させて、形状エコーが所定の強度より低くなったか、否かを判断する。処理ステップＳ７では、形状エコーが所定の強度より低くなったことをもってセンサ配向を終了するとともに、この時の配向角を保持する。処理ステップＳ８では、ステップＳ７で保持した配向角θで再度超音波を送受信する。この時、送受信条件は、センサ１ｃの配向により、軌道面１０ｇまでの伝搬距離は長くなるため、軌道面１０ｇが大きく焦域から外れるような場合には、集束条件や感度を調整するのがよい。

処理ステップＳ９では、Ｓ８で受信した受信波から後方散乱波を取得して強度を評価する。続いて処理ステップＳ１０で軌道面の損傷の有無を判定し、処理ステップＳ１１で、あるセンサ設置点における１断面の超音波検査を終了する。

さらには、処理ステップＳ１０で表面の摩耗の有無を判定する際、処理ステップＳ４で取得した形状エコーを処理ステップＳ２０で周波数解析して周波数分布を算出しておき、処理ステップＳ２１で、超音波の集束条件や中心周波数と検出可能な面粗さの下限値との関係性を予め求めてデータベース化したものを照合することにより、検出下限となる面粗さを読み出し、処理ステップＳ１０で損傷が有ると判断した場合に、その損傷がどの程度の面粗さ以上に相当しているか情報として出力するのがよい。ここで、中心周波数とは超音波プローブから発せられる、もしくは、散乱源からの散乱波に含まれる主な周波数のことを指す。

軌道面に人工的に損傷を付与したベアリングに、本発明を適用した結果を図１１に示す。図１１上部には、走査開始と走査後のセンサ位置を示しており、走査の間、センサは断面に対して約３０度配向させた状態が維持されている。図１１中段の右側には、健全部について図９の面１０Ｃ（Ａ面）からのアクセスを示している。また図１１下部には、複数の軌道面１０ｇ１，１０ｇ２，１０ｇ３について、健全部（走査開始位置）では軌道面の形状エコーは消失している一方で、損傷を付与した部位（走査終了位置）では損傷面からの後方散乱波を検出できていることが見て取れる。このように、センサ１ｃの配向角が一度定まれば、配向角を維持しつつセンサ１ｃを移動させることで、効率よく軌道面の損傷の有無を検査することができる。ベアリングに本発明を適用する際は、例えばセンサ１ｃを円周方向にアクセス面に沿って移動させればよい。 なお本発明の実施に際し、さらに油溝直上センサを配置して、軌道面上端位置近傍に出現するエコーに着目して検査する手順を加えると、上端を含む剥落がある場合、エコーの深さ位置が変わることを視認しやすいので、上端部を効率よく検査することができる。

本発明は、形状エコーを除外して計測するものであり、形状エコーが除外されるまでセンサを移動させて計測するものである。実施例２では外表面に沿った移動について説明する。

外表面に沿った移動の場合には、走査開始位置を図７上部に示す位置とし、走査終了位置が図８上部に示す位置に近づくように面上を移動させるものである。

つまり初期位置では、フェーズドアレイセンサ１ｃを主たる監視対象部位である軌道面１０ｇや油溝１０ｈや内外輪の境界面１０ｉに対して、斜め方向から集束超音波を照射するように配置する。この時、図７下部に示すように、斜角の方向に強い形状エコー７，８を検知している。

これに対し、図６上部の位置は、フェーズドアレイセンサ１ｃを主たる監視対象部位である軌道面１０ｇや油溝１０ｈや内外輪の境界面１０ｉに対して、上方方向から集束超音波を照射するように配置したものである。

これは、ベアリングの同一個所として例えば軌道面１０ｇに着目するなら、図１において当該軌道面１０ｇに垂直に入射するように斜角探傷していたものを徐々に垂直探傷方向に変化させたものということができ、垂直探傷に向かう過程または垂直探傷となった状態で、強い形状エコーが所定レベル以下に減少するポイントを探し、この時の受信波形を用いるというものである。

この処理は、図１０のフローにおいてセンサ配向していたものを、センサの外表面に沿った移動と読み替えればよく、その他の処理はすべて同様に取り扱うことができる。

実施例１、実施例２では、強い形状エコーを含まない、後方散乱波を効率よく取り出す手法について説明した。実施例３には、さらにこの後方散乱波を用いたベアリングの評価手法について説明する。

実施例１、実施例２で取得した後方散乱波を活用すれば、摩耗よりも厳しい損傷モードであるフレーキング断面形状の推定が可能となる。つまり、強い形状エコーを意図的に抑制し微弱な後方散乱波を検知できれば、図４や図８に示すように、散乱波の発生源である凹凸を、点在するエコー群として可視化できるので、剥落により生じた剥落面の凹凸、すなわち、剥落面の形状を概ね推定することができる。剥落面の形状を推定できれば，ベアリングボールが接触できなくなった剥落した領域の特定だけでなく、剥落した断面積や体積の推定も可能となるので、メンテナンスに活用することができる。剥離部分の断面形状を定量分析すれば、特に断面形状が同一の構造物では、本発明で述べた超音波による計測点数を増やして剥離した体積と結び付けることが容易になる。

図１３は、後方散乱波を評価することで剥離断面積を求める方法について、一例を示す図である。この例では、実線で示す油溝１０ｈ、軌道面１０ｇの本来の形状が、軌道面１０ｇ´のように剥離しているものとする。ここでは、剥離している部分の断面積を推定しようとしている。図１３には、剥落部位の始点と終点を併せて表記している。

図１２は、剥離面積を求めるときの処理フローを示している。図１２の処理では、処理ステップＳ１０１で評価を開始すると、まず処理ステップＳ１０２で、実施例１または実施例２の手法により得られた一連の断面データを参照する。

処理ステップＳ１０３では、断面データを分析する。分析に当たっては、例えば図１３に示すように超音波波形データを画像化してから、後方散乱波によるエコー群の始点と終点を検出し、深さ範囲内に表れるエコー群のピーク強度を探索して位置（点群）を抽出するとよい。これを正常なベアリングの形状と比較することで、検査する断面の損傷領域を特定することができる。

処理ステップＳ１０４では、抽出した点を例えば線形補完して、元々の形状とで囲まれる剥離断面積Ｓを算出する。処理ステップＳ１０５で、計測点における画像分析・算出が完了したかを判定し、完了していれば、処理ステップＳ１０６で計測位置（ｉ）と推定した断面積（Ｓ_ｉ）の情報を紐づけ、処理ステップＳ１０７で、断面積と計測位置の情報から欠損体積Ｖｐを推定することができる。簡単には、大型のベアリングなどでは曲率半径が大きいため、（１）式のように計測点間隔と断面積を柱状で近似して積算すると良い。

なおこの処理では、処理ステップＳ１０８で、必要に応じて、損傷面Ｓｐ，損傷比率Ｒｄを定義して算出することも可能である。一例として、Ｓを軌道面の面積として、Ｌｉを軌道面の領域における後方散乱波が観測された深さ方向の長さとして、簡単には（２）式で記述できる。ここで、関数ｆは、軌道面の形状に依存する関数である。

また、処理ステップＳ１０３からＳ１０８を複数の断面データについて実行することで、損傷領域全体の形状や体積を推定することができる。例えば、実施例１に記載したように、一度定めたセンサ１ｃの配向角を維持しつつセンサ１ｃを移動させ、その都度取得した複数の断面データを用いることが考えられる。

処理ステップＳ１０９では、図１４に示すように油分分析結果と関連付けるなどして、Ｓ１１０で終了する。これにより、損傷量を明らかにし、ほかにも検査対象物の強度解析の結果と合わせるなどすることで、メンテナンス時期や交換時期を従来よりも適切に定めることができる。

なお図１４は、本発明による製品管理方法の一例を示す図である。図１４は、横軸に運転時間、縦軸に金属粉濃度と剥離量を示した図であり、監視している金属粉濃度が高まってきた時点で適宜メンテナンスを実行し、油溝１０ｈへの油入れ替えを行っていることから、図１１の処理をこのタイミングで実施し、図１２と図１３に示す解析を含めて実行すべきであることを示している。

なお、図９に示すように配向角をつけ、図１１のように欠陥部のデータを取得した場合、図１３に示す、損傷の深さ評価には影響はないが、面積Ｓｉには配向角に起因する補正値としてｃｏｓθを乗じると良い。

剥落断面積や剥落量の定量評価により、ベアリングの保守や交換など、製品管理のために有用な情報を得ることが可能となる。

実施例４では、本発明を活用したベアリングの運用方法について、図１６から図１８を用いて説明する。図１６は、外輪１０ａの剥落部位においてベアリングボールと外輪１０ａが接触不可能となっていることを示している。

図１７は、本発明に係るベアリングの運用方法を示すフローである。このフローでは、処理ステップＳ２００で、ベアリングの運用判断を開始する。処理ステップＳ２０１で構造健全性及び超音波検査を実施して軌道面の損傷データを取得する。処理ステップＳ２０２で余寿命評価を開始する。

処理ステップＳ２０３では、応力解析の入力条件として、処理ステップＳ２０１で得た損傷データと、材料物性値、運転条件を入力する。ここで損傷データとしては、図１６に示すように、本発明を用いた検査結果により明らかになる軌道面に生じた損傷の深さ範囲の情報に基づく、軌道面へのベアリングボールの接触範囲の入力が適している。

処理ステップＳ２０４で、例えば有限要素法によりベアリングの軌道面における応力分布を求める。処理ステップＳ２０５で、算出した応力分布に基づき、静強度、疲労計算を実施する。処理ステップＳ２０６で静強度、疲労計算の結果をもちいて構造健全性、余寿命評価を実施する。

構造健全性、余寿命評価にあたっては、例えば、図１８に示すように、交換を提案するべき損傷率に達する時間を推定するのが良い。図１８は、損傷率の時間変化を示す図であり、横軸に時間、縦軸に損傷率の大きさを示している。

処理ステップＳ２０７で構造健全性、余寿命評価の結果から、交換の要否、次回検査の時期や実施の要否判断をする。次回検査を実施しない場合は処理ステップＳ２０８で終了する。次回検査を実施する場合は、処理ステップＳ２０１～処理ステップＳ２０７を繰り返し、特に処理ステップＳ２０６では、前回の検査結果を参照して、例えば図１８に示すように、余寿命評価を実施するマスターカーブを補正し、余寿命情報を更新する。すなわち、本発明を活用して得た損傷データを元に余寿命評価を実施し、定期的に超音波検査と余寿命評価を繰り返すことによって、余寿命評価の精度を向上して交換時期を適切に提案することができる。

実施例５では、計測装置の構成例について、図１５を用いて本発明の計測装置の構成と役割を説明する。本計測装置は大別して、計測部４０、スキャナ５０、送信部と受信部（パルサレシーバ）６０、制御・処理部（コンピュータ）８０、表示部９０、入力装置７０から構成されている。

このうち計測部４０は、超音波センサ１ｃとセンサ把持装置（ホルダ）４１とセンサ軌道レール４２とから成る。センサ把持装置４１は、センサを固定・回転・押し付ける機能を有する。センサ軌道レール４２は、センサの方向を保ったまま、外表面を走査・可動する治具である。あるいはセンサ軌道レール４２は、センサの設置位置を保ったまま配向角度θを変更する治具である。

スキャナ５０は、処理・制御部（コンピュータ）８０に格納された走査条件に基づき、定められたタイミングおよび範囲でセンサを配向・走査して、プローブと被検体２（１０ａ）の相対的な位置関係を変えることができる。

パルサレシーバ６０は、入力部７０で受け付けた、あるいは記憶装置ＤＢに格納された計測条件（集束条件、送信パルスの形状、電圧、繰り返し周波数、増幅値など）の値に基づいて超音波を送受信する。受信波は、増幅・Ａ／Ｄ変換などして波形データとして取得し、後述する処理・制御部８０の受信波形データを格納する記憶装置に転送する。

コンピュータで構成される制御・処理部８０は、演算部と記憶装置ＤＢを少なくとも備えており、演算部の処理機能を例示すると、送受信制御装置８１、強度評価装置８２、画像処理装置８３、スキャナ制御装置８４、配向角制御装置８５の各機能を備えている。

記憶装置ＤＢは、計測評価データベースＤＢ１と状態管理データベースＤＢ２があり、計測評価ＤＢ１には、先述の計測条件、設定した感度における電気ノイズ強度、使用するセンサと検出可能な表面粗さの下限値データ、計測対象に合わせた走査条件を格納している。状態管理データベースＤＢ２には、計測した日時に対応して、検出された損傷個所に対応する断面評価結果や剥落量評価結果や油分析結果のデータを格納している。

送受信制御装置８１は、送信パルス電圧の電圧、パルス幅、繰り返し周波数、増幅値、サンプリング周波数、データ保存タイミング、アレイセンサを用いる場合には集束条件などを制御する機能を有する。

強度評価装置８２は、指定した超音波の伝搬時間レンジ内の信号強度を評価する機能と、後述するスキャナ制御装置やセンサ配向角制御装置と連動する機能を有する。

画像処理装置８３は、単一型のセンサの機械走査により、あるいは、アレイセンサを用いた電子走査で得られる波形データや探傷画像から、後方散乱波成分の強度を分析して粗い面の形状を推定し、健全な初期形状と比較して剥落した断面積量を算出する機能を有する。

スキャナ制御装置８４は、計測評価データベースＤＢから走査計画を読み出し、スキャナを制御する機能を有する。

配向角制御装置８５は、形状エコーの出現レンジにウィンドウを掛けて強度をモニタリングしながら、センサの配向角度を決定する機能を有する。なお実施例２の場合には、配向角制御装置８５は、センサの外表面に沿った移動の制御装置とされることは言うまでもない。

表示部９０は、超音波の送受信の制御や収録条件に必要な値の他、計測した波形、検出結果、評価結果、状態監視データを表示する機能を有する。

入力装置７０は、キーボード、マウス、タッチパネルなどの手段を用いて入力する一般的な機器から成る。以上の装置構成をもって、本発明の方法を実施することが可能となる。

１：センサ
２：構造物
３：剥離部
４：亀裂
５：粗い表面
７，８：形状エコー
４０：計測部
５０：スキャナ
６０：送信部と受信部（パルサレシーバ）
８０：制御・処理部（コンピュータ）
９０：表示部
７０：入力装置
８１：送受信制御装置
８２：強度評価装置
８３：画像処理装置
８４：スキャナ制御装置
８５：配向角制御装置

Claims (12)

1. 摺動部を有する構造物の、前記摺動部の軌道面とその近傍を検査する超音波検査方法であって、
   前記構造物の外表面上に設定した計測点に超音波センサを設置する第１のステップと、前記軌道面の近傍に超音波の焦点が形成されるように超音波の送受信条件を設定して送受信を開始する第２のステップと、受信した超音波の前記摺動部の軌道面に由来する形状エコーの強度を取得する第３のステップと、前記超音波センサを移動させて前記形状エコーの強度が所定の強度より低くなったことをもって前記超音波センサの移動を停止する第４のステップと、停止状態で超音波を送受信する第５のステップと、前記第５のステップで取得された後方散乱波の強度から摺動部を有する構造物の損傷の有無を判定する第６のステップを有することを特徴とする超音波検査方法。
2. 請求項１に記載の超音波検査方法であって、
   前記第４のステップにおける前記超音波センサの移動は、前記構造物の前記計測点のある前記外表面に沿った移動であることを特徴とする超音波検査方法。
3. 請求項２に記載の超音波検査方法であって、
   前記超音波センサの移動は、当初は斜角探傷により前記軌道面の近傍に超音波の焦点を形成し、その後に垂直探傷により前記軌道面の近傍に超音波の焦点を形成するようにされることを特徴とする超音波検査方法。
4. 請求項１に記載の超音波検査方法であって、
   前記第４のステップにおける前記超音波センサの移動は、前記計測点を回転中心とした前記構造物の外表面における回転移動であることを特徴とする超音波検査方法。
5. 請求項４に記載の超音波検査方法であって、
   前記第４のステップにおいて、前記回転移動の後に焦点条件を再設定することを特徴とする超音波検査方法。
6. 請求項１に記載の超音波検査方法であって、
   前記第４のステップにおける前記超音波センサの移動は、前記計測点のある前記外表面に沿った移動と、回転移動とを組み合わせたものであることを特徴とする超音波検査方法。
7. 請求項５に記載の超音波検査方法であって、
   前記摺動部を有する構造物はベアリングであって、
   前記超音波センサを、前記計測点のある前記外表面に沿って、ベアリングの円周方向に移動させる第７のステップと、
   前記第５から第７のステップを繰り返す第８のステップを有することを特徴とする超音波検査方法。
8. 請求項１に記載の超音波検査方法であって、
   構造物の損傷の有無を判定する前記第６のステップは、取得した形状エコーを周波数解析して周波数分布を算出する第９のステップと、超音波の中心周波数と検出可能な面粗さの下限値との関係性を予め求めてデータベース化したものを照合して検出下限となる面粗さを読み出す第１０のステップを有することを特徴とする超音波検査方法。
9. 請求項１に記載の超音波検査方法であって、
   構造物の損傷の有無を判定する前記第６のステップは、前記第５のステップで取得された超音波波形データを画像化してから、後方散乱波によるエコー群の始点と終点を検出する第１１のステップと、分析結果から損傷領域を特定する第１２のステップと、健全な場合の形状データと照合することで損傷領域の断面積を推定する第１３のステップと、損傷領域もしくは断面積から損傷評価量として損傷面積比率もしくは損傷体積を算出する第１４のステップを有することを特徴とする超音波検査方法。
10. 請求項９に記載の超音波検査方法であって、
    前記損傷評価量を運転時間で管理する第１５のステップと、前記損傷評価量とあらかじめ定めておいた基準となる損傷量とを照合する第１６のステップと、運転時間で管理する油分分析結果と基準となる油分に含まれる摩耗粉量とを照合する第１７のステップと、前記第１６のステップまたは前記第１７のステップのうち、少なくとも１つの照合結果に基づいて、メンテナンスの必要性を通知するアラートを生成する第１８のステップを有することを特徴とする超音波検査方法。
11. 請求項１に記載の超音波検査方法であって、
    前記摺動部を有する構造物はベアリングであって、ベアリングの軌道面の超音波検査結果から損傷情報を入力する第１９のステップと、軌道面の応力分布を算出する第１７のステップと、き裂進展解析によりき裂進展展速度を算出する第２０のステップと、指定した損傷状態になるまでの余寿命を算出する第２１のステップを有し、超音波検査を実施する毎に余寿命評価を更新することを特徴とする超音波検査方法。
12. 摺動部を有する構造物の、前記摺動部の軌道面とその近傍を検査する超音波検査装置であって、
    摺動部を有する構造物の軌道面近傍に超音波を集束可能な集束型の超音波センサと、前記超音波センサを固定・回転・押し付ける機能を有するセンサ把持装置と、前記超音波センサを外表面上で移動させるセンサ軌道レールと、計測条件に基づいて超音波を送受信し、受信波は、波形データとして取得するパルサレシーバと、制御処理部を備え、
    前記制御処理部は、前記構造物の外表面上に設定した計測点に前記センサ把持装置を用いて超音波センサを設置した状態で、前記軌道面の近傍に超音波の焦点が形成されるように超音波の送受信条件を設定して送受信を開始させ、前記パルサレシーバで受信した超音波の形状エコーの強度を取得し、前記超音波センサを前記センサ把持装置または前記センサ軌道レールの少なくともいずれか１つで移動させ、前記形状エコーの強度が所定の強度より低くなったことをもって前記超音波センサの移動を停止し、前記パルサレシーバを用いて停止状態で超音波を送受信し、取得された後方散乱波の強度から摺動部を有する構造物の損傷の有無を判定することを特徴とする超音波検査装置。

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