JP5050873B2

JP5050873B2 - 機械部品の余寿命評価方法

Info

Publication number: JP5050873B2
Application number: JP2008010574A
Authority: JP
Inventors: 康行栗原; 美孝林
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2028-01-21
Also published as: JP2009174859A

Description

本発明は、機械部品の余寿命評価方法に関し、詳しくは、機械部品の金属疲労による余寿命を評価するための、機械部品の余寿命評価方法に関する。

近年、機械部品の応力の繰り返しによる金属疲労による破壊事故が多数発生している。このような状況の中、機械部品の余寿命を診断し、適切な処置を施す技術が必要とされている。余寿命評価技術として、従来、特許文献１などに提案されたものが知られている。しかしそれらは、温度変化の大きいガスタービンなどを対象とした低サイクル熱応力に対する手法であり、載荷荷重による応力繰り返しに対する手法ではないことや、疲労寿命を算定するためのマスターカーブを作成するにあたり材料試験により得られたものを補完する方法を用いているため、形状的な応力集中の影響を強く受ける機械部品や複雑な応力状態となる機械部品に対しての適用はできない。
特開平１０−１６０６４６号公報

一方、形状的な応力集中の影響を強く受ける機械部品や複雑な応力状態となる機械部品を有する工場では、検査により亀裂が発見された場合は、グラインダー手入れなどで亀裂を除去する延命化措置がとられることが多い。この方法では、亀裂の完全な除去が困難な場合があることや、グラインダー手入れなどで亀裂を除去する方法によっては新たな欠陥となる可能性があること、亀裂を除去することで機械部品の肉厚が減少し作用応力が増加する、など疲労寿命をかえって短くする可能性がある。また、グラインダー手入れなどで亀裂を除去した後の余寿命が明確ではないため、点検を頻繁に行う必要が生じ、点検コストが増大する可能性がある。

つまり、従来の余寿命評価技術では、金属疲労亀裂が発見された機械部品に対して明確な余寿命評価ができず、その機械部品の点検回数の増大（点検コストの増大）を招くという課題があった。

発明者らは、機械部品に生ずる応力繰り返しによる金属疲労に対する余寿命を明確に評価しうる手法を検討した。その結果、対象とした金属製の機械部品の応力集中部位を実現象に近い拘束および載荷条件下での応力解析により選定し、この選定した部位を亀裂発生の起点とした亀裂伝播解析により、最大亀裂寸法と寿命消費率の関係曲線であるマスターカーブを算定しておき、このマスターカーブに、前記機械部品を検査し検出した亀裂の最大寸法計測値を適用して余寿命を算出することにより、前記課題が解決されうることに想到し、本発明をなした。すなわち本発明は次のとおりである。
［請求項１］対象とした金属製の機械部品の応力集中部位を実現象に近い拘束および載荷条件下での応力解析により選定し、この選定した部位を亀裂発生の起点とした亀裂伝播解析により、最大亀裂寸法と寿命消費率の関係曲線であるマスターカーブを算定しておき、このマスターカーブに、前記機械部品の実体検査で検出した亀裂の最大寸法計測値を適用して余寿命を算出する機械部品の余寿命評価方法であって、縦軸に前記最大亀裂寸法として亀裂長さ、横軸に前記寿命消費率をとって得られたプロット点の分布範囲のほぼ中心、ほぼ上限、ほぼ下限を夫々通る曲線Ｍ１，Ｍ３，Ｍ４、及び前記プロット点を滑らかにつないだ曲線Ｍ２のうちの何れかを前記マスターカーブとして選定することを特徴とする機械部品の余寿命評価方法。
［請求項２］前記実体検査は非破壊検査で行うことを特徴とする請求項１に記載の機械部品の余寿命評価方法。
［請求項３］前記非破壊検査は、ＶＴ（目視観察）、レプリカ法、ＭＴ（磁粉探傷試験）、ＵＴ（超音波探傷試験）、ＰＴ（浸透探傷試験）、ＲＴ（放射線探傷試験）のうちいずれか１つまたは２つ以上を用いて行うことを特徴とする請求項２に記載の機械部品の余寿命評価方法。

本発明によれば、形状的な応力集中の影響を強く受ける機械部品や複雑な応力状態となる機械部品の金属疲労に対する余寿命を明確に評価できるから、発見された亀裂をグラインダー手入れなどで除去する/しないの判断が的確にでき、寿命短縮につながりかねない余計な亀裂除去措置を回避できて、機械全体の安定操業が可能となる。また、亀裂を除去した場合でも、亀裂除去後の機械部品形状を初期条件とした同様の応力解析および亀裂伝播解析によって余寿命を明確に算出でき、それに基づいて点検回数を必要最小限に抑えることができて、点検コストを削減しうる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。
図１は、本発明の概要を示す流れ図である。
まず、ステップ１（応力集中部位の選定）を実行する。このステップでは、対象とした機械部品に対して、実現象に近いと考えうる拘束および載荷条件を境界条件としてＦＥＭ（Finite Element Method；有限要素法）解析を行い、最大発生応力およびその発生位置を算出する。このとき、応力集中部位近傍のメッシュサイズは十分な精度が得られる大きさ、形状となるように留意する。

次に、ステップ２（最大亀裂寸法計測）、ステップ３（マスターカーブの決定）を実行する。これらステップ２，３は、どちらを先行させてもよく、また、これらを併行させてもよい。
ステップ２では、機械部品の定期修理に合わせて、特に前記ＦＥＭ解析で算出された応力集中部位を中心に、前記機械部品の実体検査を行って亀裂を検出し、その最大亀裂寸法を計測する。亀裂を検出するための実体検査は、余寿命評価後の機械部品をそのまま使用する場合があるから、非破壊検査で行うことが好ましい。ただし、新品と交換することが決定している機械部品に対してはサンプルを切り出して亀裂を計測してもよい。

非破壊検査の手法としては、ＶＴ（目視観察）、レプリカ法、ＭＴ（磁粉探傷試験）、ＵＴ（超音波探傷試験）、ＰＴ（浸透探傷試験）、ＲＴ（放射線探傷試験）などが挙げられ、これらのいずれも好ましく用いうる。これらの手法は、いずれか１つを用いてもよく、また、２つ以上を組み合わせて用いてもよい。なお、レプリカ法とは、レプリカフィルムを被検面に貼付して表面状態を観察する方法である。具体的なレプリカ法の一例として、被検面を鏡面研磨の後、アセトンを滴下し、高分子レプリカフィルムを貼り付け、アセトンが揮発した後、レプリカ膜を剥がし、金蒸着を行い、レーザー顕微鏡を用いて微視亀裂の観察・計測を行うなどが挙げられる。

ステップ３では、マスターカーブを決定（算定）する。マスターカーブは、対象とする部材（機械部品）に生じた最大亀裂寸法（縦軸にとる）と寿命消費率（横軸にとる）の関係を示したグラフであると定義される。このグラフを算出するために、部材に使用された鋼材のパリス則と亀裂進展解析を用いて、亀裂の寸法と寿命消費率の関係を計算する。寿命消費率については、破断回数（図６参照）と現在の回数との比から算出する。破断回数については構造体の形状および材料の物理定数などを用いて亀裂進展解析から決定する。

ステップ４では、ステップ２で計測された最大亀裂寸法の値とステップ３で算定したマスターカーブとから余寿命を算出する。

以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明する。実施例では、製鉄所圧延機の部材であるエンドヨークを対象として余寿命を評価する。
（ステップ１）エンドヨークの実使用状態に近いと考えられる拘束および載荷条件下でＦＥＭ解析を行って応力分布を求め、応力集中部位を選定する。図２は、このＦＥＭ解析で得られたエンドヨーク５の応力分布を等応力線で描いたもので、本実施例の場合、多重入れ子状の等応力線は入れ子の内側のものほど応力が高くなっており、Ｒ隅部の端部側に最大発生応力の発生位置６があることがわかる。

（ステップ２）最大発生応力の発生部位６を中心に実体検査（亀裂の検出および亀裂寸法の計測）を行う。本実施例の場合、応力集中位置が表面であるため、亀裂の検出精度が高いＭＴにより亀裂を検出する。検出された亀裂の、計測された亀裂長さのうち最大値を最大亀裂寸法として採用する。本実施例では、計測された最大亀裂寸法は、亀裂長さで３．２ｍｍであった。

なお、より高精度の調査を行うためには、レプリカ法を用いると良い。また、ＴＯＦＤ（Time of Flight Diffraction）法などで亀裂深さが分かる場合は、計測された亀裂深さのうち最深値を最大亀裂寸法として採用するのが好ましい。なお、ＴＯＦＤ法とはＵＴ手法の一種であり、一対の発信及び受信用の二つの探触子を対向させて配置し、被検査断面を透過させるように超音波の送受信を行い、表面直下の表面透過波（ラテラル波）および底面反射波と、「きず」の上下端で発生する回折波の伝播時間差を利用して、幾何学的に「きず」の位置（きず高さ、きずの指示長さ）を測定する手法であって、これによれば、簡便で高精度な探傷が可能であり、特に、肉厚方向の寸法を高精度計測できる（石川島検査計測株式会社のURL[http://www.iic-hq.co.jp/work_contents/01inspection_measurement/01nondestructive_testing/KH-01.html]からの情報）。

（ステップ３）例えば図３に示すようなフローに沿って亀裂進展解析を行う。このフローを説明する。
まず、ステップ31において亀裂進展解析用の解析モデルを作成する。この解析モデルは亀裂進展解析の解析プログラムを基に作成できる。亀裂進展解析プログラムとしては様々な汎用プログラムが販売されている。例えば、Computational Mechanics BEASY社のBEASYと称する境界要素法に基づいた解析手法、Zentech社のZENCRACKと称する有限要素法に基づいた亀裂進展解析などがある。さらに、近年は、リメッシュが不要なＸ−ＦＥＭ(extended Finite Element Method、参考文献「Belytschko T.,Black T.著“Elastic Crack Growth in Finite Elements with Minimal Remeshing”Int.J.Number.Meth.Engng.45(5),601-620(1999)」）などの解析手法も実用段階にあり、大幅な労力の低減が可能となってきている。的確なモデル化ができ、同等以上の性能を持っていれば、どれを用いてもよい。

次にステップ32において初期亀裂の決定を行う。ここでは、先に求めた応力集中部位（Ｒ隅部）に、想定する初期亀裂を与える。この初期亀裂の長さは、パリス則の実験結果における最小亀裂長さ、およびメッシュサイズなどの計算精度を考慮した値とする。なお、パリス則とは、例えば図４（社団法人日本材料学会編「金属材料疲労き裂進展抵抗データ集」(1983、株式会社西村信天堂発行）より）に示されるような、ＣＴ試験片を用いた疲労試験により得られる亀裂伝播速度da/dNと応力拡大係数ΔＫのデータを両対数プロットすることで見出される曲線関係則である。

次にステップ33において構造解析計算を行う。ここでは、与えた解析モデル、境界条件、および亀裂条件において解析を実行し、全体の構造変形状態を計算する。この時、亀裂一般部（亀裂の先端部以外の部分）は荷重に対して抵抗しない構造とするか、接触・摩擦等々の影響が大きい場合は、それらを考慮した条件としても良い。
次にステップ34において亀裂先端部のＫ値を決定する。亀裂先端部は、特異場となっているため、変形、応力、歪などを算出するには、破壊力学に基づいた計算が必要となる。具体的には、亀裂先端周りでＪ積分を実行し、得られたＪ積分値からＫ値を算出する。

次にステップ35において次ステップの亀裂位置を計算する。亀裂が進展するときの進展方向角度の決定には、maximum circumferential stress criterionを用いた。これは、亀裂先端を囲む円周方向の中で応力が最大となる方向に次ステップの亀裂が進展するという仮説に基づいている。２次元の解析の場合、各計算ステップにおいて得られたＫ_I値、Ｋ_II値を用いて次式（数１の式）

により、進展方向角度（１つ前の計算ステップにおける進展方向からの偏角）θが求まる。得られた亀裂進展方向に対して垂直な方向の応力拡大係数Ｋ_I値から亀裂の進展量を計算し（ここでもパリス則を使う）、新しい亀裂先端位置を決定する。
そして、ステップ36において、前記新しい亀裂先端位置がメッシュ内に存在するか否かを判定し、存在する場合はこの新しい亀裂先端位置を含む亀裂を前記解析モデルに与え、ステップ33以降を繰り返す。存在しない場合は解析を終了する。

本実施例における解析結果によると、図５に示すように、エンドヨーク５の亀裂７は、Ｒ隅部の起点Ｃ_０から図示のような経路で伝播し外面側の終点Ｃ_１に達して、エンドヨーク５を破断させる。
上述の亀裂進展解析によって、図６に示すような、載荷回数と亀裂長の関係が得られる。ここで「亀裂長」なる用語は、部材表面内の「亀裂長さ」および部材肉厚方向の「亀裂深さ」を総称した用語である「亀裂寸法」と同義に用いる。

寿命消費率（詳しくは疲労寿命消費率）は、以下に示す破断長（または破断回数）と、載荷回数から算出する。
a) 実際に起きた破断事故の疲労亀裂破面のデータが得られる場合は、破断時の亀裂長さまたは亀裂深さを破断長（図６中の破断長ａ2に相当)とし、破断までの供用期間に荷重を受ける回数を破断回数（図６中の破断回数Ｎ2に相当）とする。
b) 亀裂進展解析で急激に亀裂が進展し脆性破壊に至る亀裂長を破断長（図６中の破断長ａ1に相当)、回数を破断回数（図６中の破断回数Ｎ1に相当）とする。寿命消費率は、前述のように、（現在の回数／破断回数）から算出される。「現在の回数」はステップ33の繰り返し回数の現在値であり、各現在値ごとに亀裂長が算出される。

なお、算出された破断回数については、不慮の過大荷重や材料のバラツキなどを考慮して、これに安全率を加味した値を用いることが望ましい。ここで亀裂長とは、亀裂長さと考えるのが一般的だが、マスターカーブは通常、亀裂深さで算出されることが多い。しかし、亀裂の深さと長さとは、作用荷重や亀裂進展状態によって相互に関係付けることができる。よって、想定される作用荷重での深さと長さの関係式を予め求めておくことで、どちらか一方の値があれば他方の算出が可能であるため、マスターカーブの縦軸のパラメータは、深さ、長さのどちらであってもよい。

これらから、寿命消費率と亀裂長の関係のプロット点が得られるが、それらの値に対して近似関数（近似曲線）を想定したものをマスターカーブとする。近似曲線は、プロット点の分布や安全係数の考え方（設計思想）に応じて適切な手法により作成する。
本実施例における解析で得られたプロット点と、これに対して想定されるいくつかの近似曲線を図７に示す。なお、縦軸のパラメータは亀裂長さとした。曲線M1,M3,M4はそれぞれ、寿命消費率に対する亀裂長さのプロット点の散らばり具合から推定される分布範囲のほぼ中心、ほぼ上限、ほぼ下限を通るものであり、また、曲線M2はプロット点を滑らかにつないだものである。いずれを選ぶかは設計思想によるので、特に限定されないが、本実施例では曲線M1を選定した。

（ステップ４）エンドヨーク５の荷重と載荷回数（および時間）の関係などを、実測値または装置の使用計画などから算出する。これらから破断回数に対応する寿命（Ｎ_ｆ）が分かり、寿命消費率から余寿命が計算できる。すなわち、図８に示すように、本実施例の場合、前述のようにステップ２で最大亀裂長さ３．２ｍｍが検出されたので、これを縦軸の値としたときの曲線M1上の点の横軸の値が現在の寿命消費率（Φ_ｃ）として算出される。この値は図示のように０．４である。これらの値から、余寿命（Ｎ_ｆｒ）は次式（数２の式）で決定できる。

本実施例では、数２の式にΦ_ｃ＝０．４を代入して決定した余寿命Ｎ_ｆｒ１に所定の安全率を掛けた期間だけ、亀裂を除去することなくそのままエンドヨーク５を供用し続け、破断することなく使用することができた。この供用期間後、同様に余寿命を評価したところ、Φ_ｃは０．９となっていたので、新品と交換した。なお、この交換時にそれまで使用していたエンドヨーク５からサンプルを採取して亀裂深さを計測し、そのデータを基にマスターカーブの補正を行った。

このように、本発明によれば、寿命短縮につながりかねない余計な亀裂除去措置を回避できて、機械全体の安定操業が可能となる。

本発明の概要を示す流れ図である。応力解析の例としてエンドヨークを対象に計算した結果を示す応力分布図である。亀裂進展解析の概要を示す流れ図である。パリス則の具体例を示すグラフである。亀裂進展解析の例としてエンドヨークを対象に計算した結果を示す亀裂進展経路図である。破断回数の決定方法の例を示す説明図である。マスターカーブの決定方法の例を示す説明図である。マスターカーブによる寿命消費率の決定方法の例を示す説明図である。

符号の説明

１，２，３，４ステップ
５機械部品（例えばエンドヨーク）
６最大発生応力の発生位置
７亀裂
31,32,33,34,35,36 ステップ

Claims

対象とした金属製の機械部品の応力集中部位を実現象に近い拘束および載荷条件下での応力解析により選定し、この選定した部位を亀裂発生の起点とした亀裂伝播解析により、最大亀裂寸法と寿命消費率の関係曲線であるマスターカーブを算定しておき、このマスターカーブに、前記機械部品の実体検査で検出した亀裂の最大寸法計測値を適用して余寿命を算出する機械部品の余寿命評価方法であって、縦軸に前記最大亀裂寸法として亀裂長さ、横軸に前記寿命消費率をとって得られたプロット点の分布範囲のほぼ中心、ほぼ上限、ほぼ下限を夫々通る曲線Ｍ１，Ｍ３，Ｍ４、及び前記プロット点を滑らかにつないだ曲線Ｍ２のうちの何れかを前記マスターカーブとして選定することを特徴とする機械部品の余寿命評価方法。
前記実体検査は非破壊検査で行うことを特徴とする請求項１に記載の機械部品の余寿命評価方法。
前記非破壊検査は、ＶＴ（目視観察）、レプリカ法、ＭＴ（磁粉探傷試験）、ＵＴ（超音波探傷試験）、ＰＴ（浸透探傷試験）、ＲＴ（放射線探傷試験）のうちいずれか１つまたは２つ以上を用いて行うことを特徴とする請求項２に記載の機械部品の余寿命評価方法。