JP3545410B2 - ボルト張力と荷重測定のための電磁音響トランスデューサ - Google Patents

Description

1.発明の分野
本発明は、一般に超音波トランスデューサに関し、特にボルトにおける荷重を測定するための電磁音響トランスデューサを使用する、新しく有用な方法に関する。
2.関連分野の記述
ボルトにおける所望する予荷重は、通常、組立ての間に特定のトルクをボルトにかけることにより達成される。組立ての間にボルトにかけられるトルクの90％が、摩擦力を克服するために使われることが証明されている。定められたトルクに対する、これらの摩擦力における小さな変動は、ボルトに対する予荷重において大きな変動の原因となる。ボルト予荷重対スペースシャトルオービタの組立てにおいて使用されたボルトにかけられたトルクの研究では、定められた印加トルクに対してボルト予荷重における２倍以上の変化が報告されている。不適切な予荷重を有するボルトは、広い範囲の応用において重要な部品の突発的な破壊を引き起こし得る。
従って、トランスデューサを使用する超音波法が、改善されたボルト予荷重測定値をもたらすために開発されてきた。例えば、原子力発電所の原子炉容器内部で使用されているボルトが不適切な予荷重が原因で破損することがわかった時、超音波法は従来の超音波トランスデューサを使用して予荷重を設定するために開発された。この方法は後に、原子力発電所のこれから重要なボルトの交換に使用された。
この方法によると、ボルト予荷重は締め付けの前と後でボルトの長さにわたる超音波走行時間の正確な測定により設定される。この方法はトルク測定値と比較して非常に改善されたボルト予荷重の測定値をもたらす一方、ボルトの頭にトランスデューサを着脱した時に重大な誤差を誘発する。
従来の超音波トランスデューサを使用すると、音波は結合液を経由して伝達され、ボルトから受信される。結合物中の音速はボルトに使用されている鋼鉄中の音速より何倍も遅いので、結合物経路長の小さな変化が超音波信号走行時間の大きな変化を起こし得る。結合物経路により導入された不確実性は、大抵の超音波ボルト荷重測定を、連続するエコーの到着時間差の測定に限定し、連続するエコーは各エコーが結合物経路を走行する時間は等しいと仮定している。超音波ボルト予荷重測定のために最初にエコーだけを使用することには、いくつかの利点がある。第１に、最初のエコーは一般に最も大きく、後のエコーと比較して平行進行と平面度の欠落による影響がより少ない。例えば、ボルト表面の頭に関してボルト表面の端が小さな角θをなせば、最初のエコーはボルトの頭に２θの角度で到着し、２番目のエコーは６θの角度で到着する。これらの方法の主な欠点は、ボルトの頭に対する結合物とトランスデューサの取り付けが非常な重要性を有するため、従来の超音波ボルト予荷重測定を困難な仕事にしていることである。
発明の要約
本発明は、（ボルトのような）ある部品の荷重を測定するための装置に関係し、内部スペースを形成する壁を有するソケットを含み、内部スペース内でボルトに荷重を伝えるために、ソケットはボルトと係合している。磁石とコイルを含む電磁音響トランスデューサが、内部スペース内でボルト付近に配置されている。コイルはうず電流を誘導し、磁石は磁石とコイルが一緒にボルトの中へ直接超音波信号を発生するように磁場を供給する。検出器が、ボルト中の超音波の走行時間を検出し測定するために使用される。
本発明はまた、部品の荷重を測定するに当たり、ソケットを用意し、このソケットと部品の間にソケットの内部スペースを提供するようにしてソケットを部品に係合させることを含む、部品の荷重を測定する方法も含む。磁場はソケットの内部スペース内で発生され、電流と磁場が部品内部で超音波信号を発生するように、電流がソケットの内部スペース内に供給される。部品における超音波信号は検出器によりモニタされ、超音波信号の変化が検出される。
発明を特徴づける新しい種々の特色は、この開示に添えられ、この開示の一部分を形成する請求の範囲中の特徴によって指摘される。本発明と、その動作上の利点と、その使用により達成される特定の目的をより理解するために、付随する図面と本発明の好ましい実施例が説明された説明事項が参照される。
【図面の簡単な説明】
図面中は、図１は、本発明を説明する略図であり、図２は、検出器とモニタに連結して使用される、本発明を説明する略図であり、図３は、本発明を利用する、ボルト張力試験装置を説明する略図であり、図４は、走行時間の変化対ボルト荷重をプロットしたグラフである。
好ましい実施例の説明
本発明は、電磁音響トランスデューサを使用してボルトの張力と荷重を測定するための装置と方法である。本発明は、（ボルトのような）その中を超音波が伝わる部品の材料に接触する必要なく超音波を発生し受信する、電磁音響トランスデューサ（EMAT）を含む。図１に示されるように、本発明による装置はボルト２と連結して使用され、内部スペース17を有するソケット15を含む。ソケット15は、ボルト２に張力を及ぼし、荷重をかけるためにボルト２と係合している。ソケット15の内部スペース17は、ボルト２とソケット15の間にある。ソケットドライブ10はソケット15と連結して使用され、異なるサイズのボルト２と適合させるため異なるサイズのソケットと交換するために、ソケット15と着脱可能である。
電磁トランスデューサアセンブリ20は、ボルト２がある箇所において、ソケット15の内部スペース17内に配置される。EMATアセンブリ20はハウジング22と、ボルト２と接触する摩耗板24を含む。ハウジング22と摩耗板24の内部に、磁場を発生するための永久磁石28と電流を供給するためのコイル26がある。EMATアセンブリ20は、取付ボルト21とスプリング23によりソケットドライブ10に接続されている。ケーブル27は、コイル26に電流を供給するためにコイル26に接続されている。ケーブル27は、ソケットドライブ10内部にあるケーブルルーティングホール12を通してコイル26に向かっている。ケーブル27は、ソケットドライブ10の周囲に取り付けられたスリップリングアセンブリ30により、ソケットドライブ10に接続されている。スリップリングアセンブリ30は、スリップリングブラシ32を含む。
電磁トランスデューサアセンブリ20は、金属ボルト２の表面付近で超音波が供給されるように、永久磁石28により発生された一定磁場中にコイル26を位置させることにより、超音波の発生装置として使用される。変圧器の作用により、表面電流が金属ボルト２内部に誘導される。磁場に近接した表面電流は、振動する表面圧力を発生するローレンツ力を受ける。ローレンツ力を受けたらすぐ、金属２の表面は磁場中で振動し、それによってコイル26に電圧を誘導する。変換プロセスは電磁表皮厚さの範囲内で起こり、MHz周波数における鉄またはアルミニウムのような材料の表皮厚さは、わずかに25.4μｍ（1mil）の何分の１かである。
本発明は、超音波を発生し検出するための、非常に再現性のある非接触システムを提供する。EMATコイル26の電流はボルト２の表面内部で超音波を直接発生するので、走行時間の正確な測定値は、電流パルスから最初の反射までのタイミングの間に得られ、既知の従来型超音波測定装置に関連する多くの問題を解消する。
本発明の開発により、超音波法によりボルト荷重を測定するための以前の努力に関係していたいくつかの問題は、最小化されるか解消された。本発明のEMATは、波が走行している材料に接触する必要なしに、超音波を発生し受信する。これは、テスト下におけるトランスデューサと材料の間の、重大な誤差の原因であり測定プロセスの自動化に対する問題である、液体結合物の必要性を解消する。
運転中、EMATセンサ20はソケット15,ボルト２と一緒に回転する。ボルト２で留められた結合物をテストしている間、超音波信号はスリップリング32を経由して送信され、受信される。あるいはボルトを締めている間、トランスデューサケーブル27をひねることも許容される。
図２は、ディスプレイ装置60,EMATコイル26とケーブル27をEMAT機器25に整合するリモートアンプとマッチングネットワーク29を含む、EMAT機器とコンピュータ25を示している。検出器25は、基準線を確立するために荷重のかけられていないボルト２上の測定値を取り込むコンピュータで、次にボルト２を締めている間、ボルト荷重を測定しプロットする。
図１に示されているように、EMATセンサ20は、ソケット15がボルト２上に置かれたらすぐ、センサ20がボルト２の頭の上に自動的に据え付けられるように、スプリング23によって荷重をかけられているスプリングである。EMATセンサ20は、ソケット15を交換することによりいくつかの異なるボルトサイズに適合し得るような方法で、ドライブアセンブリ10に取り付けられている。EMAT測定値は、次のように取り込まれる。即ち、荷重をかける前（例えば、無荷重のボルト）、ボルトに荷重をかけている間中、ボルトに荷重をかけた後である。所望の荷重が達成された時、センサ20を取り除く必要はない。これは、以前に既知のトランスデューサが遭遇した、２つのテスト（即ち予荷重テストと後荷重テスト）のために超音波トランスデューサを着脱しなければならないことによりもたらされた誤差を解消する。本発明による方法は、生産ラインで使用するための自動ボルト締め付け装置や種々のロボット的な応用によく適している。
大量生産された超音波ボルト荷重測定装置は、主に結合物のばらつきのために、非常に変わりやすい結果をもたらすことが、よく知られている。
加えて、一定時間にわたって行われる測定のための本発明によるEMAT法の再現性は、従来の超音波法のそれよりも良い。仕様の範囲内であることを保証するために、周期的にボルトの荷重を測定することが望ましい。EMAT20は結合物なしで作動するので、周期的な測定をするためのセンサ20の再適用は、もし荷重が変化しなければ、十分正確な結果をもたらす。
ボルト荷重を測定するためにEMATを使用する本発明の新しい着想の予備研究は、最初に実験室環境の下で行われた。図３は、予備研究の間使用された実験装置を示している。張力試験装置40は、ボルト荷重取付具4,6と、荷重装置45を含む22,700Kg（50,000ポンド）荷重フレームと連結して使用される。試験片ボルト２は、張力試験装置40で2,270Kg（5,000ポンド）の増加で荷重をかけられ、到達時間，ロードセル47からのロードセル出力，ボルト温度の測定値が記録される。最初のエコーに対するトランスミッタ電流パルスの時間測定の結果は、２つの連続した荷重サイクルについて、図４に図示されている。
トランスデューサの着脱により起こる読みの正確さに及ぼす影響は、張力を加えていないボルトの頭にトランスデューサを６回着脱することによりテストされた。走行時間の最大変化は4ns、または推奨荷重値の約1.5％に相当する誤差であった。平均変化はわずか1.2ns、または適用荷重の0.5％以下である。実験用トランスデューサはあまり頑丈ではないので、これらの結果は予想外であり、ボルト予荷重測定において重大な誤差を招くことなく容易に着脱できることを示している。重大な誤差を招くことなしにトランスデューサを着脱する能力は、予荷重が変化し得る場合、アセンブリ内のボルトの再荷重を考慮に入れる。
本発明の特定の実施例を、発明の原理の応用を説明するために、詳細に図示し記載してきたが、そのような原理から乖離することなしに他の方法で本発明を実施し得ることが理解されるであろう。

Claims (12)

1. 部品上の荷重を測定するための装置で、
   部品と係合する手段で、前記係合手段は内部スペースを有し、係合手段の内部スペースが、係合手段と部品の間に位置する手段と、
   前記係合手段を通して荷重を部品に伝達するための駆動手段で、前記駆動手段は前記係合手段に対して着脱可能である手段と、
   うず電流を部品内に誘導するための、内部スペース内の部品付近に位置するコイルと、
   前記コイルに電流を供給するための手段と、
   内部スペース内でコイルに係合し、磁場を提供するための前記駆動手段に取り付けられた磁石で、磁石とコイルが部品内で非接触超音波信号を発生するようになっている磁石と、
   部品に供給された超音波の変化を検出するための検出手段とを含む装置。
2. 前記係合する手段がソケットを含む、請求項１に記載の装置。
3. 内部スペース内に位置するハウジングと部品と接触するための摩耗板、ハウジングに接続されたコイルと磁石、ハウジングを駆動手段に接続するための接続手段を含む、請求項２に記載の装置。
4. 接続手段が、前記ハウジングと前記駆動手段とに接続されたボルトを含む、請求項３に記載の装置。
5. 接続手段が、更に、ハウジングと駆動手段の間にスプリングを含む、請求項４に記載の装置。
6. 前記コイルと前記検出手段との間に接続されたケーブルをさらに含む、請求項１に記載の装置。
7. 駆動手段が、ケーブルをコイルに向けて通すための孔を含む、請求項６に記載の装置。
8. コイルに対するケーブルの電気的接続のための保持手段を含む、請求項７に記載の装置。
9. 保持手段が、駆動手段に取り付けられたスリップリングアセンブリを含む、請求項８に記載の装置。
10. 部品上の荷重を測定する方法で、
    部品を係合するための手段を提供し、係合手段は内部スペースを定める壁を有し、
    係合手段と部品の間に内部スペースがあるように部品と係合させ、
    係合手段を通して、係合手段に着脱可能な駆動手段から荷重を部品に伝達させ、
    磁石とコイルが、係合手段の内部スペース内に位置するように、コイルのついた磁石を駆動手段に取り付け、
    係合手段の内部スペース内で、磁場を発生させ、
    部品内で電流と磁場が非接触超音波信号を発生するように、内部スペース内に電流を供給し、
    部品内の超音波信号をモニタし、
    超音波信号の変化を検出する、
    という諸段階を含む方法。
11. 係合手段がソケットを含む、請求項10に記載の方法。
12. 前記ソケットと前記部品を回転させる段階をさらに含む、請求項10に記載の方法。

Images