JP2649299B2 - 中ぐり車軸の斜角探傷における屈折角の補正方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、鉄道車両に用いられ
る中ぐり車軸の斜角探傷における屈折角の補正方法に関
し、詳しくは、中ぐり車軸内面から超音波斜角探傷法に
より、車軸の欠陥をスパイラル走査することによって探
傷を行う場合において、温度の変化による超音波の屈折
角の変化によって生じる誤差を補正する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、鉄道車両に設けられる車輪を保持
する車軸の交番試験等において、超音波探傷がなされて
いた。特に中ぐり車軸においては、軸表面上、軸周方向
に走る傷が出来やすく、この傷のみを検出するには、車
軸表面近傍に探傷ゲートを設定する必要がある。ところ
が、車軸の超音波探傷検査において、車軸の車輪との嵌
め合い部分の内部探傷の際に、圧入エコー等の雑エコー
が発生し、小さな欠陥エコーの検出を困難なものとして
いた。圧入エコーとは、車輪等が車軸に圧入されること
に起因して発生する傷とは関係のないエコーである。こ
のような雑エコーの影響を極力抑えるために、探傷ゲー
トはできるだけ、車軸表面付近に設定されるのが好まし
い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように車
軸表面に探傷ゲートを設定すると、外気温度の変化の影
響を受けて、斜角探傷を行う探触子の屈折角が変化し、
車軸表面における超音波の屈折位置がずれて、必要とす
る探傷ができなくなる。これは、特に中ぐり車軸をその
内周面から斜角探傷する場合、外部から簡単に超音波探
触子角度調整を行うという訳にいかず、精度良く車軸の
探傷を行おうとする場合の大きな障害となっている。本
願発明は、上記課題の解決を目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本願発明に係る中ぐり車
軸の斜角探傷における屈折角の補正方法は、中ぐり車軸
の中ぐり部分内部において超音波探触子をスパイラル状
に走査することにより、車軸１００を内部より探傷する
ことを特徴とする中ぐり車軸の探傷方法にあって、超音
波の屈折角を同じとする少なくとも２つの超音波探触子
１ａ，１ｂを用いて探傷を行うものであり、下記の手段
を採るものである。即ち、探傷の際、上記各探触子１
ａ，１ｂを、互いに車軸１００の長手方向に対して向き
を反対として超音波を発射するように、一つの保持体２
に配設して走査し、上記超音波探触子の一方１ａで斜角
探傷して一方の車輪座コーナー部Ａを検出し、上記超音
波探触子の他方１ｂで斜角探傷して他方の車輪座コーナ
ー部Ｂを検出する。そして、一方の車軸座コーナー部Ａ
を検出したときの探触子１ａの位置と、他方の車軸座コ
ーナー部Ｂを検出したときのもう一方の探触子１ｂの位
置との間の距離Ｍを算出する。車軸の車輪座表面と中ぐ
りの内周面との間の肉厚Ｔを検出と、上記の両車輪座コ
ーナー部Ａ，Ｂ間の長さＬと上記両探触子１ａ，１ｂの
各車輪座コーナー部探傷時の距離Ｍとの差とによって、
探傷時の探触子の実際の屈折角を検出し、探傷ゲートの
設定位置の補正を行う。

【０００５】

【作用】上述のような構成を採ることにより、温度の変
化によって超音波の屈折角が、設定当初のものと異なる
ものとなっても、両車輪座コーナー部間の長さＬと、上
記両探触子１ａ，１ｂの各車輪座コーナー部探傷時の距
離Ｍとの差から、各々の車輪座コーナー部と保持体との
間の距離の車軸長手方向成分を算出し、この値と車輪座
の肉厚Ｔとから、ｔａｎ^−１｛（Ｌ−Ｍ）／２Ｔ｝を算
出することにより、探傷時の正確な屈折角を得て、これ
を設定当初の超音波探触子の屈折角とするものである。
これにて、誤差を演算により探傷ゲートの設定位置を補
正することを可能とした。

【０００６】

【実施例】以下、図面を基に本願発明の実施例を具体的
に説明する。図１に、本願発明を実施するに最適な装置
の一例を示す。先ず車輪１０１が圧入された状態の中ぐ
りの車軸１００の一端から、探触子保持体２が、車軸内
部へ配される。この探触子保持体２は、フレキシブルチ
ューブ４の一端に設けられている。このフレキシブルチ
ューブ４は、探触子保持体２が、車軸１００内のどの位
置に入り込んでも、充分追従出来る長さを有するもので
ある。

【０００７】このフレキシブルチューブ４の他端側は、
車軸の外部へ設けられたプーリー等の巻取り手段５へ繋
がれている。４０は、フレキシブルチューブ４の摺動方
向を変えるためのプーリーを示している。この巻取り手
段５により、フレキシブルチューブ４を巻き取ることに
よって、探触子保持体２は、図１の右側に移動し、フレ
キシブルチューブ４を巻き解くことによって、探触子保
持体２は、図１の左側に移動する。そしてこのフレキシ
ブルチューブ４は、車軸取付け部７に挿通された状態に
配されている。車軸取付け部７は、車軸１００の端部に
固定され、フレキシブルチューブ４の摺動位置を検出し
て、探傷位置の情報を得る位置センサ７０を備える。上
記巻取り手段５において、フレキシブルチューブ４の最
後端部は、回転用モーター等の探触子回転手段３に接続
されている。正確には、後述するフレキシブルシャフト
４１の後端が、この回転手段３に接続されている。巻取
り手段５は、移動が容易なようにキャスター５０等の移
動手段を備えたものであれば、装置の重量等に係わら
ず、作業環境に応じて迅速な設置位置の移動が行え、便
利である。

【０００８】フレキシブルチューブ４自身は、内部に超
音波探触子１ａ，１ｂ及び探触子保持体２から送られて
くる情報を伝達するための配線がなされており、巻取り
手段５から、これら情報は、探傷器８やコンピューター
９に転送される。データの処理に応じて、蓄積されたデ
ータ或いはリアルタイムに得たデータを打ち出すための
プリンタ１１０を接続して実施することも可能である。

【０００９】図２を用いて上記探触子保持体２側の構成
について、説明する。この探触子保持体２の後部は、フ
レキシブルチューブ４の先端側と接続され、前部には、
斜角探傷用の超音波探触子１ａ，１ｂが設けられた回転
ヘッド部１０が接続されている。

【００１０】回転ヘッド部１０は、軸１３を介して探触
子保持体２内部に設けられたロータリーコネクター１２
へ回転自在に軸止されている。ロータリーコネクター１
２自身は、回転ヘッド１０からの信号の伝達を行うもの
である。軸１３の外部は、直接回転ヘッド部１０に固着
された管状体１４内に内包された状態に置かれている。
管状体１４は、内部に超音波探触子１ａ，１ｂへ、超音
波の媒介となるオイルの給油管１５が設けられ、探触子
保持体２の給油管１６と接続されている。この接続は、
回転継ぎ手の組み込みによりなされる（図示しない）。
そしてこの管状体１４の後方外部にはギア４４が設けら
れている。

【００１１】探触子保持体２の後方内部において、フレ
キシブルチューブ４が内包するフレキシブルシャフト４
１と接続するギア４２が設けられている。このギア４２
は、前述の回転モーター３の回転によって回転するフレ
キシブルシャフト４１の回転を受けて回転するものであ
り、探触子保持体２が備える回転位置検出器６に軸止さ
れている。ギア４２の回転は、両端にギア４２とギア４
４に係合する歯車が設けられたシャフト４３を介して、
ギア４４に伝達される。これにより、回転モーター３の
回転を受けて回転ヘッド部１０が回転するのである。

【００１２】回転ヘッド部１０は、２つの超音波探触子
１ａ，１ｂが背中合わせの状態で、固定されている。１
１は探触子１ａ，１ｂが得た検出信号をフレキシブルチ
ューブ４を介して探傷器８へ送るための信号線を示して
いる。

【００１３】２つの超音波探触子１ａ，１ｂは、その向
きが、夫々車軸１００の中ぐり部内周面を臨むように回
転ヘッド部１０に固定されている。探触子１ａ，１ｂ間
には、発条１８が設けられており、両探触子１ａ，１ｂ
は、夫々車軸１００の中ぐり部内周面へ付勢される。フ
レキシブルチューブ４の探触子保持体２への固定金具に
は、軸方向位置検出用ワイヤ１７が設けられている。

【００１４】このような装置を用いて、例えば図２の矢
印Ｚに示す方向へスパイラル状に探触子を走査する場
合、回転モーター３の回転により、矢印Ｙ方向へ回転ヘ
ッド部１０を回転させ、巻取り手段５のフレキシブルチ
ューブ４の巻き解き動作により、フレキシブルチューブ
４を摺動してＸ方向へ探触子保持体２と共に回転ヘッド
部１０を移送する。これにより、中ぐり車軸１００の内
部を内側からスパイラル状に探傷することができるので
ある。又矢印Ｚと逆方向への探傷をおこなう場合は、巻
取り手段５の巻取り動作により、Ｘ方向と逆方向へ探触
子保持体２と共に回転ヘッド部１０を移送する。このと
き、必要に応じて、回転モーターを上記とは、逆回転さ
せて、回転ヘッド部１０を矢印Ｙと逆方向へ回転させれ
ば、完全に逆方向へのスパイラル走査が行える。但し、
走査の確実を期すため、通常の走査の場合上記Ｘ方向と
は逆の方向に、即ち巻取り手段５が巻き取る動作によっ
て移動する方向に、探触子保持体２及び回転ヘッド部１
０を移送して、探傷を行うのが好ましい。

【００１５】尚斜角探触子１ａ，１ｂのビームの範囲
は、図１の斜線部Ｖ，Ｗに示す通りである（後に、図３
を用いて詳述する）。又探傷の際、既述のコンピュータ
ー９により、探触子の走査、探傷器８の操作、感度校
正、探傷データの処理、探傷結果の判定及び出力（プリ
ンター１０の打ち出し或いはコンピューター９のモニタ
ーへの画像出力）等の制御を行えば、完全な探傷の自動
化が可能となる。

【００１６】上述のような装置を使用することにより、
中ぐり車軸の内部において、検査を行うものが車軸の近
傍において、嵩張る探傷装置を操作する必要がなくな
り、車軸外部の操作環境に左右されることなく、自動的
に超音波探触子を走査することが出来る。

【００１７】次に、本願発明に用いる上記斜角探触子１
ａ，１ｂの機能について説明する。図４の１０２は、前
述の車輪１０１、１０１が圧入された部分を示している
（以下圧入部１０２という）。又図３（Ｉ）の１０３
は、中ぐり車軸１００の中空部分を示している。超音波
探触子１ａが発するビームＶは、車軸１００の左側コー
ナー部Ａ付近が探傷可能な方向性を有するものである。
逆に超音波探触子１ｂが発するビームＷは、車軸１００
の右側コーナー部Ｂ付近が探傷可能な方向性を有するも
のである（図１）。両超音波探触子１ａ，１ｂは、機能
・構成は、同様のものを用いる。以下斜角探触子の屈折
角の自動検出方法及び屈折角検出後の探傷ゲート位置の
補正方法について、説明する。

【００１８】先ず探触子１ａ，１ｂの屈折角を自動的に
求めるための工程について説明する。図３（Ｉ）へ示す
ように、互いに背中合わせに配され、互いに反対の向き
に超音波を発する既述の斜角探触子１ａ，１ｂを用い
て、各車輪座コーナー部を検出する。 詳述すると、探
触子１ａにより、車軸１００の左側コーナー部Ａ端部を
検出する。そして探触子１ｂにより、車軸１００の右側
コーナー部Ｂ端部を検出する。図３（Ｉ）の図中左方に
実線で示すものが、実際の探触子１ａ，１ｂの位置であ
り、探触子１ａにより、車軸１００の左側コーナー部Ａ
端部を検出している状態を示している。又図３（Ｉ）の
図中右方に点線で示すものが、探触子１ｂにより、車軸
１００の右側コーナー部Ｂ端部を検出している状態のと
きの探触子１ａ，１ｂの仮想位置を示している。ここで
コーナー部端部の検出とは、各探触子の図３（II）に示
す中心ビームＷａが、車軸の車輪座部のコーナー部を捕
らえた状態をいう。探触子１ａ，１ｂの夫々は、上記保
持体２への固定時において、所定の屈折角θを有するよ
うに、事前に調整される。そして、各探触子の車軸長手
方向への移動距離を、エンコーダによって検出する。正
確には探触子１ａが車軸１００の左側コーナー部Ａを検
出した際の探触子１ａの位置と、探触子１ｂが車軸１０
０の右側コーナー部Ｂを検出した際の探触子１ｂの位置
との間の距離Ｍを検出する。次に、車軸１００の左右車
輪座部のコーナー部間の寸法Ｌ（既知数）と、上記距離
Ｍとの差をコンピューター９により算出する。各探触子
により、上記工程中各車輪座部の肉厚Ｔを検出してお
く。これにより、上述の通り算出した寸法Ｌと距離Ｍと
の差及び上記肉厚Ｔとによって、コンピューター９を用
い探傷時の現実の屈折角θ’を算出する。この方法によ
って、外部の気温の変化毎に、変化した屈折角を測定
し、補正することが可能であるので、探傷の際、温度変
化による影響が生じない。このようにして探傷時正確な
屈折角θ’が決定されると、コンピューター９を用い、
上記肉厚Ｔ（図３（II））と、その屈折角θ’により、
車軸１００表面において、探傷ゲートの適切な設定位置
を自動的に算出し、そのような探傷ゲートの設定を自動
的に行うのである。

【００１９】上述の方法によって、適切な位置への探傷
ゲートの設定を行った上で、探傷が行われる。以下上述
の補正後の中ぐり車軸の超音波探傷における圧入部１０
２の各エコー及び圧入エコーの処理方法について、好ま
しい例を掲げて説明する。いまこの超音波探触子１ｂ
が、図３（Ｉ）の右方の車輪１０１の圧入部１０２を探
傷していく場合を例にとって説明する。超音波探触子１
ｂは、スパイラル状に移動するのであるが、ここでは、
超音波探触子１ｂの車軸長手方向への変位に従って、即
ち超音波探触子１ｂの図４に示す矢印Ｅ方向への移動成
分に従って、得られるエコーについて考察する。この図
４に示すように超音波探触子１ｂが発するビームＷは、
中心ビームＷａから、Ｗｂに示す範囲を持って広がって
いる。

【００２０】図４の、圧入部１０２における位置Ｇａ
に、即ち上記中心ビームＷａの圧入部１０２における反
射位置に、既述の屈折角の補正後探傷ゲートＧを設定し
た際得られるエコーは、スコープ上図５に示す通りＳ／
Ｎ比が悪く（低く）、この位置Ｇａに欠陥が存在する場
合、その欠陥エコーＨは、圧入エコーＪによってその検
出を阻害される。尚、上記図５及び図６の縦軸は、反射
エコーの高さ（ｄＢ）を示しており、横軸は、車軸長手
方向Ｅへの変位を示している。

【００２１】ここで、車軸長手方向即ち図４のＥ方向へ
超音波探触子１ｂを移動した際の軌跡を観察すると、図
６に示す通り、移動中欠陥エコーＨは、圧入エコーＪの
手前Ｄにおいて、欠陥エコーＨａとして現れ、圧入エコ
ーＪの外側において、ビームＷの広がりＷｂにより、欠
陥エコーＨｂとして検出される。図６中Ｈｘは、上記欠
陥エコーＨの移動軌跡を示している。又位置Ｃにおいて
欠陥エコーＨは、中心ビームＷａにより、欠陥の最大エ
コーＨｐとして現れる。

【００２２】上述のビームＷの広がりＷｂにより圧入エ
コーＪの手前Ｄ（欠陥エコーＨｂが生じるゲートＧ外側
については、ビームの路程が長く、外側の遠い位置から
の雑エコーが混入する場合があるので、手前Ｄ位置での
判別が適当である。）と、上記位置Ｃにおいて、図７に
示す車軸周方向Ｆへの移動による欠陥の軌跡を観察する
と、図８及び図９のような波形が得られる。図８は、位
置Ｃでの車軸周方向への変位による波形を示し、図９
は、上記手前Ｄ位置での車軸周方向への変位による波形
を示す。図８及び図９の縦軸Ｋｙは、エコーの高さを示
し、横軸Ｋｘは、車軸周方向に対する変位角度を示して
いる。

【００２３】欠陥エコーは、図７に示す通り、欠陥Ｌの
周方向への幅と、図４に示すビームＷの広がりＷｂによ
って、図８及び図９において、欠陥エコーＨは、幅のあ
るものとして現れる。図８に示すように位置Ｃにおいて
は、圧入エコーも周方向に連続したものとして検出され
る。

【００２４】ところが、図９に示すように手前Ｄ位置に
おいては、周方向への連続性が検出されるのは、欠陥エ
コーＨのみであり、圧入エコーＪは、単発のノイズとし
て検出される。このように圧入エコーが単発的となるの
は、詳細は解明されていないが、現状では、手前Ｄ位置
における圧入エコーの検出が、ビームＷの端を用いて行
われているため、圧入エコーの発生する確率が減少する
ためと考えられる。

【００２５】このようなことから、図６に示す手前Ｄ位
置にて、即ちビームＷの手前を用いて探傷を行い検出さ
れるエコーの車軸周方向の幅を調べることで、欠陥エコ
ーと圧入エコーの分離が可能となるのである。

【００２６】このような分離について適切な例を掲げる
と、図１０に示すように、検出レベルを２段設定し、有
害欠陥となる大きさの欠陥エコーを検出する欠陥認識レ
ベルＲａと、エコーの連続性チェックのための連続性チ
ェック監視用のレベルＲｂとによって、欠陥エコーと圧
入エコーとの判別を行う。詳述すると、レベルＲａを超
えたエコーについてのみ、レベルＲｂについて連続性
（エコーの幅）をチェックするのである。例えば欠陥エ
コーであってもレベルＲａを超えないものは、有害欠陥
とされず無視され、レベルＲａを超えたもののみについ
て、連続性の有無（Ｋｘの幅の有無）即ち欠陥エコーか
圧入エコーかの判別を行うのである。

【００２７】

【発明の効果】本願発明によって、外気の温度変化によ
って斜角探傷を行う超音波探触子の発する超音波の屈折
角が、設定当初のものから変化しても、確実にゲート設
定位置の補正を行うことが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の一実施例の装置の略全体正面図であ
る。

【図２】本願発明の上記実施例の装置の要部略断面図で
ある。

【図３】 （Ｉ）は、本願発明による探傷状態を示す説明
図である。 （ＩＩ）は、本願発明による探傷状態を示す説明図であ
る。

【図４】本願発明による補正後の探傷状態を示す要部説
明図である。

【図５】本願発明よる補正後の探傷により得られた波形
を示す説明図である。

【図６】本願発明による補正後の探傷により得られた波
形を示す説明図である。

【図７】本願発明による補正後の探傷状態を示す要部説
明図である。

【図８】本願発明による補正後の探傷により得られた波
形を示す説明図である。

【図９】本願発明による補正後の探傷により得られた波
形を示す説明図である。

【図１０】本願発明による補正後の波形判別の一実施例
を示す説明図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ 超音波探触子 ２ 探触子保持体 ３ 探触子回転手段 ４ フレキシブルチューブ ５ 巻取り手段 ６ 回転位置検出器 １００ 車軸 １０２ 圧入部 １０３ 中空部

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中ぐり車軸の中ぐり部分内部において超
   音波探触子をスパイラル状に走査することにより、車軸
   （１００）を内部より探傷することを特徴とする中ぐり
   車軸の探傷方法にあって、超音波の屈折角を同じとする
   少なくとも２つの超音波探触子（１ａ）（１ｂ）を用い
   て探傷を行うものであり、 探傷の際、上記各探触子（１ａ）（１ｂ）を、互いに車
   軸（１００）の長手方向に対して向きを反対として超音
   波を発射するように、一つの保持体（２）に配設して走
   査し、 上記超音波探触子の一方（１ａ）で斜角探傷して一方の
   車輪座コーナー部（Ａ）を検出し、上記超音波探触子の
   他方（１ｂ）で斜角探傷して他方の車輪座コーナー部
   （Ｂ）を検出し、一方の車軸座コーナー部（Ａ）を検出
   したときの探触子（１ａ）の位置と、他方の車軸座コー
   ナー部（Ｂ）を検出したときのもう一方の探触子（１
   ｂ）の位置との聞の距離（Ｍ）を算出し、 車軸の車輪座表面と中ぐりの内周面との間の肉厚（Ｔ）
   と、上記の両車輪座コーナー部（Ａ）（Ｂ）間の長さ
   （Ｌ）と上記両探触子（１ａ）（１ｂ）の各車輪座コー
   ナー部探傷時の距離（Ｍ）との差とによって、探傷時の
   探触子の実際の屈折角を検出し、探傷ゲートの設定位置
   の補正を行うものであることを特徴とする中ぐり車軸の
   斜角探傷における屈折角の補正方法。