JP4088342B2 - 細長い部材の軸線方向荷重を決定する方法 - Google Patents
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Description
本発明は超音波により細長い部材の軸線方向荷重を決定する方法に関する。特に、本発明は、細長い部材の一端に縦波及び横波の超音波を導入し、これらの超音波の伝播時間を個々に測定する荷重決定方法に関する。このような方法は米国特許第４，６０２，５１１号に記載されている。この公知の方法はその伝播速度の応力への依存性が縦波と横波とで異なるという事実に基づいている。
上記の技術に関する問題は、伝播時間が検知対象の温度変化により変化することにある。その伝播時間は、伝播速度及び検知対象の長さが温度により変わるため変化する。これは検知対象に作用する計算荷重における好ましからざる温度関連の変動をもたらす。
これは特にねじ継手を組み立てる際に問題になる。なぜなら、ねじの温度は、生産環境において大幅に変化し得るからである。大量生産中に各ねじの温度を測定することは非常に困難であり、また、ねじ締付け工程自体が、ねじに熱を発生させる。
最近の研究は超音波伝播時間が検知対象の温度に依存していることに関して縦波（即ち、長手方向の超音波）と横波（即ち、幅方向の超音波）との間に差異があるということを立証している。横波の超音波の伝播時間は縦波の超音波よりも温度変化により大きく影響され、これに対して逆に、縦波の超音波の伝播時間は横波の超音波の伝播時間よりも荷重の大きさにより大きく依存していることが分かってきている。
これは縦波及び横波の超音波の伝播時間の測定値の変化に基づいて、温度及び荷重の変化を計算することができることを意味している。
本発明は、第一の予備的無負荷検知段階の間に、細長い部材に導入された縦波及び横波の超音波の伝播時間を測定し、縦波及び横波の両タイプの伝播時間（TOF）を測定することにより細長い部材の無負荷時の長さを決め、第二の検知段階の間に、細長い部材の実際の荷重及び温度条件の下で、縦波及び横波の両タイプの伝播時間（TOF）を測定し、無負荷状態で測定した導入超音波の伝播時間（TOF）と、実際の荷重及び温度条件で測定した超音波の伝播時間（TOF）とを比較し、実際の荷重状態と無負荷状態との間の温度差の補償の下に実際の荷重の大きさを計算することによって、細長い部材における実際の荷重の決定する方法から成る。
本発明の方法を実際の適用する場合、横波及び縦波の超音波は細長い部材の一端の表面に永久に取り付けられているタイプの超音波トランスジューサにより細長い部材に導入される。そのようなトランスジューサは米国特許第５，２０５，１７６号に記載されている。
本発明の方法を実施するためには、細長い部材について次のような物理的データが必要である。
Ｔ0（Ｋ）：ＶL0及びＶS0が測定される任意の温度であり、およそ室温にセットされるべきである。
ＶL0（m/s）：温度Ｔ0における縦波の超音波の速度
ＶS0（m/s）：温度Ｔ0における幅方向波（横波）の超音波の速度
ＫST（s/km）：温度変化による横波の超音波に対する伝播時間の相対変化
ＫLT（s/Km）：温度変化による縦波の超音波に対する伝播時間の相対変化
ＫSL（s/Nm）：引張荷重の変化による横波の超音波に対する伝播時間の相対変化
ＫLL（s/Nm）：引張荷重の変化による縦波の超音波に対する伝播時間の相対変化
上記のデータは、例えばねじ継手の用途におけるねじの材料物性及び幾何学的形状（面積）に依存するので、各用途ごとに集められなければならない。
次のデータが締付け時に測定される。
ｔS0（ｓ）：横波の超音波の無負荷時伝播時間（ＴＯＦ）
ｔL0（ｓ）：縦波の超音波の無負荷時伝播時間（ＴＯＦ）
ｔSL（ｓ）：横波の超音波の負荷時伝播時間（ＴＯＦ）
ｔLL（ｓ）：縦波の超音波の負荷時伝播時間（ＴＯＦ）
そして、これらのデータから次のものを計算することができる。
ΔＴ（Ｋ）：無負荷時におけるＴ0との温度差
ΔＴL（Ｋ）：負荷時におけるＴ0との温度差
Ｌ（Ｎ）：ファスナーにおける引張荷重
ｌ0（ｍ）：Ｔ0における無負荷時のねじ長さ
ねじ継手の締付けの初期の段階において無負荷測定が行われる。その情報から次のようにしてねじの長さ（及び温度）を決定することが可能である。
入力：ＶL0 ＶS0 ＫST ＫLT ｔS0 ｔL0 Ｌ（＝０）
出力：ｌ0 ΔＴ
解法：
無負荷時伝播時間ＴＯＦ（ｔS0及びｔL0）は温度補正ファクターを加えてＴ0における無負荷時伝播時間ＴＯＦに等しくならなければならない。
次にΔＴが式（１）から抽出される。
式（２）に式（３）を代入すると、
次に式（４）からl0が抽出される。
もし実際の温度が必要であれば、それはＴ0＋ΔＴから得られる。ただし、ΔＴは式（３）に式（５）を代入して抽出される。
次の段階は長さ及び伝播時間（ＴＯＦ）データを使用して、ねじの実際の荷重を計算することである。ねじの最初の長さが分かっているので、新しい温度補償を行い、それにより締付けによる熱の問題を取り除くことができる。
入力：ＶL0 ＶSO ＫST ＫLT ＫSL ＫLL ｌ0 ｔSL ｔLL
出力：Ｌ ΔＴL
解法：
Ｔ0における無負荷測定値と負荷状態との伝播時間（ＴＯＦ）の差は荷重誘導変化と温度誘導変化に分離することができる。したがって、次式が得られる。
式（７）からΔＴが抽出される。
式（８）に式（９）を代入すれば、ねじの実際の荷重が抽出される。
本発明による方法はねじ締付けの用途に適しているが、それに限定されるものではない。
それはまた、温度変化の補償が重要であるすべてのタイプの超音波応力測定に有用であり、かつ、圧力容器や原子力反応器等のような安全装置における応力及び温度の同時監視に有用である。
ねじ締付けの用途においては、上記の方法は締付け工程においてパワー・レンチを制御するために使用できる。ねじに横波及び縦波の超音波を導入するために使用される超音波トランスジューサは、ねじ締付け工具と連携した電子操作制御ユニットに接続される。
上記のように本発明の実際的使用に当たって、ねじの一端の表面に永久に取り付けられているタイプの超音波トランスジューサを使用することが望ましい。
代案として、この方法はすでに締め付けられているねじ継手における支配的荷重の検知に使用してもよい。
上記の技術に関する問題は、伝播時間が検知対象の温度変化により変化することにある。その伝播時間は、伝播速度及び検知対象の長さが温度により変わるため変化する。これは検知対象に作用する計算荷重における好ましからざる温度関連の変動をもたらす。
これは特にねじ継手を組み立てる際に問題になる。なぜなら、ねじの温度は、生産環境において大幅に変化し得るからである。大量生産中に各ねじの温度を測定することは非常に困難であり、また、ねじ締付け工程自体が、ねじに熱を発生させる。
最近の研究は超音波伝播時間が検知対象の温度に依存していることに関して縦波（即ち、長手方向の超音波）と横波（即ち、幅方向の超音波）との間に差異があるということを立証している。横波の超音波の伝播時間は縦波の超音波よりも温度変化により大きく影響され、これに対して逆に、縦波の超音波の伝播時間は横波の超音波の伝播時間よりも荷重の大きさにより大きく依存していることが分かってきている。
これは縦波及び横波の超音波の伝播時間の測定値の変化に基づいて、温度及び荷重の変化を計算することができることを意味している。
本発明は、第一の予備的無負荷検知段階の間に、細長い部材に導入された縦波及び横波の超音波の伝播時間を測定し、縦波及び横波の両タイプの伝播時間（TOF）を測定することにより細長い部材の無負荷時の長さを決め、第二の検知段階の間に、細長い部材の実際の荷重及び温度条件の下で、縦波及び横波の両タイプの伝播時間（TOF）を測定し、無負荷状態で測定した導入超音波の伝播時間（TOF）と、実際の荷重及び温度条件で測定した超音波の伝播時間（TOF）とを比較し、実際の荷重状態と無負荷状態との間の温度差の補償の下に実際の荷重の大きさを計算することによって、細長い部材における実際の荷重の決定する方法から成る。
本発明の方法を実際の適用する場合、横波及び縦波の超音波は細長い部材の一端の表面に永久に取り付けられているタイプの超音波トランスジューサにより細長い部材に導入される。そのようなトランスジューサは米国特許第５，２０５，１７６号に記載されている。
本発明の方法を実施するためには、細長い部材について次のような物理的データが必要である。
Ｔ0（Ｋ）：ＶL0及びＶS0が測定される任意の温度であり、およそ室温にセットされるべきである。
ＶL0（m/s）：温度Ｔ0における縦波の超音波の速度
ＶS0（m/s）：温度Ｔ0における幅方向波（横波）の超音波の速度
ＫST（s/km）：温度変化による横波の超音波に対する伝播時間の相対変化
ＫLT（s/Km）：温度変化による縦波の超音波に対する伝播時間の相対変化
ＫSL（s/Nm）：引張荷重の変化による横波の超音波に対する伝播時間の相対変化
ＫLL（s/Nm）：引張荷重の変化による縦波の超音波に対する伝播時間の相対変化
上記のデータは、例えばねじ継手の用途におけるねじの材料物性及び幾何学的形状（面積）に依存するので、各用途ごとに集められなければならない。
次のデータが締付け時に測定される。
ｔS0（ｓ）：横波の超音波の無負荷時伝播時間（ＴＯＦ）
ｔL0（ｓ）：縦波の超音波の無負荷時伝播時間（ＴＯＦ）
ｔSL（ｓ）：横波の超音波の負荷時伝播時間（ＴＯＦ）
ｔLL（ｓ）：縦波の超音波の負荷時伝播時間（ＴＯＦ）
そして、これらのデータから次のものを計算することができる。
ΔＴ（Ｋ）：無負荷時におけるＴ0との温度差
ΔＴL（Ｋ）：負荷時におけるＴ0との温度差
Ｌ（Ｎ）：ファスナーにおける引張荷重
ｌ0（ｍ）：Ｔ0における無負荷時のねじ長さ
ねじ継手の締付けの初期の段階において無負荷測定が行われる。その情報から次のようにしてねじの長さ（及び温度）を決定することが可能である。
入力：ＶL0 ＶS0 ＫST ＫLT ｔS0 ｔL0 Ｌ（＝０）
出力：ｌ0 ΔＴ
解法：
無負荷時伝播時間ＴＯＦ（ｔS0及びｔL0）は温度補正ファクターを加えてＴ0における無負荷時伝播時間ＴＯＦに等しくならなければならない。
入力：ＶL0 ＶSO ＫST ＫLT ＫSL ＫLL ｌ0 ｔSL ｔLL
出力：Ｌ ΔＴL
解法：
Ｔ0における無負荷測定値と負荷状態との伝播時間（ＴＯＦ）の差は荷重誘導変化と温度誘導変化に分離することができる。したがって、次式が得られる。
それはまた、温度変化の補償が重要であるすべてのタイプの超音波応力測定に有用であり、かつ、圧力容器や原子力反応器等のような安全装置における応力及び温度の同時監視に有用である。
ねじ締付けの用途においては、上記の方法は締付け工程においてパワー・レンチを制御するために使用できる。ねじに横波及び縦波の超音波を導入するために使用される超音波トランスジューサは、ねじ締付け工具と連携した電子操作制御ユニットに接続される。
上記のように本発明の実際的使用に当たって、ねじの一端の表面に永久に取り付けられているタイプの超音波トランスジューサを使用することが望ましい。
代案として、この方法はすでに締め付けられているねじ継手における支配的荷重の検知に使用してもよい。
Claims (4)
- 物理的データが記録されている細長い部材の軸線方向荷重を決定する方法であって、
・無負荷状態の下、実際の温度で、細長い部材の一端に縦波及び横波の超音波を導入し、
前記無負荷状態で、細長い部材を通る超音波の縦波及び横波の伝播時間（tL0,tS0）を個別に測定し、かつ、
細長い部材の前記物理的データと縦波及び横波の伝播時間の測定値とから、次式を用いて細長い部材の長さ（l0）を算出するステップと、
・細長い部材の締め付け時に、実際の負荷状態の下で、細長い部材に縦波及び横波の超音波を導入し、
実際の負荷状態の下で測定した細長い部材を通る超音波の縦波及び横波の伝播時間（tLL,tSL）と、無負荷状態の下で測定した縦波及び横波の前記伝播時間（tL0,tS0）とを比較し、
前記無負荷状態測定と実際の負荷状態測定との間で細長い部材の温度差により生じる影響を考慮しながら、二つの伝播時間の差から、次式を用いて細長い部材上の実際の負荷（L）を決定するステップと
（上記二つの式において、
ＶL0は温度Ｔ0における縦波の超音波の速度、
ＶS0は温度Ｔ0における横波の超音波の速度、
ＫSTは温度変化による横波の超音波の伝播時間の相対変化、
ＫLTは温度変化による縦波の超音波の伝播時間の相対変化、
ＫSLは引張荷重の変化による横波の超音波の伝播時間の相対変化、
ＫLLは引張荷重の変化による縦波の超音波の伝播時間の相対変化、
ｔS0は無負荷状態における横波の超音波の伝播時間、
ｔL0は無負荷状態における縦波の超音波の伝播時間、
ｔSLは実際の負荷状態における横波の超音波の伝播時間、
ｔLLは実際の負荷状態における縦波の超音波の伝播時間、
ｌ0は、温度Ｔ0での無負荷状態における細長い部材の長さである。）
を有することを特徴とする細長い部材の軸線方向荷重を決定する方法。 - 前記横波及び縦波の超音波は、細長い部材の一端の表面に永久に取り付けられている超音波トランスジューサにより前記細長い部材に導入される
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記細長い部材がねじ継手におけるねじであり、
超音波トランスジューサは、
一方では前記横波及び縦波の超音波を導入するために前記ねじに結合され、
他方では締付け中の前記ねじの実際の荷重を決定するための手段を含むねじ締付け工具の電子操作制御ユニットに結合されている
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記横波及び縦波の超音波は、前記ねじの一端の表面に永久に取り付けられている超音波トランスジューサにより前記ねじ中に導入される
ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
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