JP5601603B2 - 車輪の超音波探傷方法 - Google Patents

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Description

本発明は、アレイ探触子によって車輪のフランジ側リム面に超音波を送信し、リム部を探傷する超音波探傷方法に関する。特に、きずエコーを識別できるようにフランジ側リム面の表面肌の形状エコーの強度を低くする超音波探傷方法に関する。
従来から、鉄道車輪等の車輪のリム部のきずを検出するのに、振動子を直線状に配列したアレイ探触子によってフランジ側リム面から超音波を送信して探傷する超音波探傷方法が知られている(本明細書では、リム部において、車輪の軸に垂直な二つの側面の内でフランジが形成されている側の側面をフランジ側リム面という)。この方法においては、アレイ探触子をフランジ側リム面に対向させて配置し、車輪を周方向に回転させながら超音波探傷する。このとき、一般的に、車輪を回転させて探傷するときに、超音波が車輪の表面に入射する領域(以下、入射領域ともいう)の面積が広くなるように、軸方向から見たときのアレイ探触子の振動子配列方向(以下、長手方向ともいう)と車輪の径方向とが成す角度を0°にしている。
しかしながら、この超音波探傷においては、フランジ側リム面の表面肌の粗さ等の形状によるエコー(以下、表面肌の形状エコーという)がアレイ探触子に受信されるので、フランジ側リム面の近傍にきずが有っても、そのきずエコーの強度が表面肌の形状エコーの強度と同等以下の場合には、きずを検出し難い。従って、フランジ側リム面の表面肌の形状エコーの強度を低くすることが望まれる。
また、アレイ探触子による超音波探傷において、探傷を行う領域以外の領域の形状エコーがアレイ探触子に戻らないように、被探傷物への超音波の入射角度を決定する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、このような方法によっても、アレイ探触子の振動子面が対向している被探傷物の表面肌からの形状エコーの強度を低くすることはできない。
日本国特開2007−93311号公報
本発明は、斯かる従来技術の問題を解決するためになされたものであり、アレイ探触子によって車輪のフランジ側リム面に超音波を送信し、リム部を探傷する超音波探傷方法において、きずエコーを識別できるようにフランジ側リム面の表面肌の形状エコーの強度を低くする超音波探傷方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために本発明者が鋭意検討したところ、次の知見を得た。
車輪のフランジ側リム面の表面肌は、表面加工時のバイトの刃による細かい多数の切削跡から成り、切削跡は車輪の軸を中心として円周状に形成されている。そして、軸方向から見たときアレイ探触子の振動子配列方向と、アレイ探触子の振動子配列方向の端部のうち車輪の軸寄りの端部を通る車輪の径方向とが成す角度(以下、この角度を探触子配置角度ともいう)が0°なので、車輪の径方向に送信されたアレイ探触子からの超音波が、車輪の径方向と垂直に交差する切削跡で反射して表面肌の形状エコーとしてアレイ探触子に戻ってくる。そのために、フランジ側リム面の近傍からのきずエコーをフランジ側リム面の表面肌(以下、フランジ側リム面の表面肌を単に表面肌とも略す)の形状エコーから識別するのが難しい。
そこで、切削跡の形状エコーがアレイ探触子に戻ってこない程度に探触子配置角度を傾けることにより、フランジ側リム面の近傍からのきずエコーを表面肌の形状エコーから識別できないかを検討したところ、そのように識別できる探触子配置角度を見い出した。
本発明は、上記の本発明者の検討結果に基づき完成されたものである。すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、アレイ探触子によって車輪のフランジ側リム面に超音波を送信し、リム部を探傷する超音波探傷方法であって、前記アレイ探触子の振動子面を前記フランジ側リム面に対向させ、前記車輪の軸方向から見たとき該アレイ探触子の振動子配列方向と、該アレイ探触子の前記振動子配列方向の端部のうち前記車輪の軸寄りの端部を通る該車輪の径方向とが成す角度を20〜60°にして探傷することを特徴とする超音波探傷方法を提供する。
本発明によれば、車輪の軸方向から見たときアレイ探触子の振動子配列方向と、アレイ探触子の振動子配列方向の端部のうち車輪の軸寄りの端部を通る車輪の径方向とが成す角度、つまり探触子配置角度を20°以上にしているので、フランジ側リム面の表面肌の形状エコーがアレイ探触子の方に戻り難くなる。従って、表面肌の形状エコーの強度がきずエコーと比べて低くなり易くなり、フランジ側リム面の近傍のきずエコーを表面肌の形状エコーから識別し易くなる。
また、探触子配置角度を60°以下にしているので、車輪を回転させながら探傷するときの入射領域の面積が、探触子配置角度が0°のときと比べて1/2以上になり、それ程小さくならない。
従って、探触子配置角度を20〜60°にすることにより、表面肌の形状エコーの強度を低くして探傷を行うことができる。
また、車輪には、防音のためのリング溝を有するものがある。リング溝は、リム部の内側面から径方向外側に向けて周方向全周に亘って形成されている。
そのような車輪において、探触子配置角度が0°であると、車輪の径方向内側に送信された超音波が、車輪の径方向と垂直に交差するリング溝で反射してアレイ探触子に戻り易いので、リング溝近傍からのきずエコーをリング溝の形状エコーから識別し難い。
しかしながら、探触子配置角度を20〜60°にすると、リング溝の形状エコーがアレイ探触子の方に戻り難くなるので、リング溝の形状エコーの強度がきずエコーと比べて低くなり易いことが分かった。これにより、リング溝近傍からのきずエコーをリング溝の形状エコーから識別し易くなる。
従って、表面肌近傍及びリング溝近傍の二つの異なる領域のきずを検出するのに、探触子配置角度を20〜60°に設定しさえすれば、表面肌及びリング溝の形状エコーの強度を低くし、1個のアレイ探触子によってきずを精度良く検出することができる。
また、探触子配置角度が0°であると、フランジ部の表面と踏面(リム部がレールと接する面)との間に介在するスロート面の形状エコーがアレイ探触子に戻り易いので、スロート面近傍からのきずエコーをスロート面の形状エコーから識別するのが難しい。そこで、探触子配置角度をスロート面の形状エコーがアレイ探触子に戻ってこない程度に傾けることにより、スロート面近傍からのきずエコーをスロート面の形状エコーから識別できないかを検討したところ、探触子配置角度を40〜60°にすれば良いことを見い出した。
従って、リング溝を有さない車輪においては、フランジ側リム面近傍及びスロート面近傍の二つの異なる領域のきずを検出するのに、探触子配置角度を40〜60°に設定しさえすれば、フランジ側リム面の表面肌及びスロート面の形状エコーの強度を低くし、1個のアレイ探触子によってきずを精度良く検出することができる。
また、リング溝を有する車輪においては、フランジ側リム面近傍、リング溝近傍及びスロート面近傍の三つの異なる領域のきずを検出するのに、探触子配置角度を40〜60°に設定しさえすれば、フランジ側リム面の表面肌、リング溝及びスロート面の形状エコーの強度を低くし、1個のアレイ探触子によってきずを精度良く検出することができる。
本発明によれば、アレイ探触子によって車輪のフランジ側リム面に超音波を送信し、リム部を探傷する超音波探傷方法において、きずエコーを識別できるようにフランジ側リム面の表面肌の形状エコーの強度を低くすることができる。
図1は、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法が適用される車輪の一例を示す車輪の径方向断面図である。 図2は、同超音波探傷方法に用いる超音波探傷装置の一例を説明する図である。図2(a)は、超音波探傷装置の構成図であり、図2(b)は、超音波探傷装置が備えるアレイ探触子の構成図である。 図3は、従来の超音波探傷方法における、アレイ探触子の配置位置を示す斜視図である。 図4は、探触子配置角度を0°にして探傷したときのBスコープである。図4(a)は、Bスコープの写真であり、図4(b)は、Bスコープの模式図である。 図5は、フランジ側リム面に送信された超音波の伝搬経路を示す図である。図5(a)は、車輪の周方向から見た伝搬経路を示す径方向断面図であり、図5(b)は、車輪の軸方向から見た伝搬経路を示す平面図である。 図6は、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法におけるアレイ探触子の配置位置を示す斜視図である。 図7は、車輪の軸方向から見た伝搬経路を示す平面図である。 図8は、探触子配置角度を変化させたときの、表面肌、リング溝及びスロート面の形状エコーの強度を、リム部に設けた人工きずのきずエコーの強度と比較した図である。
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法について説明する。本実施形態に係る超音波探傷方法では、車輪のフランジ側リム面に超音波を送信し、リム部の探傷を行う。
図1は、本実施形態に係る超音波探傷方法が適用される車輪の一例を示す車輪の径方向断面図である。
車輪1は鉄道車輪であり、中心のボス部11と、周辺のリム部12とを備える。リム部12は、外周側に突出したフランジ部13とレールに接する踏面14とを外周全周に亘って具備している。本明細書では、フランジ部13の表面と踏面14との間に介在する箇所をスロート面15という。また、リム部12において、車輪1の軸に垂直な二つの側面の内でフランジ部13が形成されている側の側面をフランジ側リム面16という。
車輪1には、防音のためのリング溝17を有するものと有さないものとがあるが、図1は、例としてリング溝17を有する車輪1を示している。リング溝17は、リム部12の内側面から径方向外側に向けて周方向全周に亘って形成されている。
図2は、本実施形態に係る超音波探傷方法に用いる超音波探傷装置の一例を説明する図である。図2(a)は、超音波探傷装置の構成図であり、図2(b)は、超音波探傷装置が備えるアレイ探触子の構成図である。
超音波探傷装置2は、車輪1のフランジ側リム面16に対向して配置されるアレイ探触子3を備えている。また、アレイ探触子3への送受信制御信号を送信すると共にアレイ探触子3から受信した信号を増幅する等の機能を奏するアレイ探傷器4と、アレイ探傷器4に対する各種パラメータ設定を行ったり、アレイ探傷器4からの信号を受信してAスコープ、Bスコープ等の画像を作成する等の機能を奏するパーソナルコンピュータ5と、後述する回転駆動部6に回転信号等を与えるための制御盤7とを備えている。
また、軸の方向を水平にされた車輪1を下側から支え、リム部12全周の探傷を行うべく車輪1を回転させる回転駆動部6と、車輪1及びアレイ探触子3を水浸させるための槽8とを備えている。アレイ探触子3は、直線状に配列された複数の振動子32を具備しており、振動子32から超音波が送信させるアレイ探触子3の面を振動子面31という。
次に、以上に説明した超音波探傷装置2を用いた超音波探傷方法の一例について説明する。
超音波探傷するときには、アレイ探触子3の振動子面31をフランジ側リム面16に対向するように配置し、車輪1とアレイ探触子3とが浸漬するように槽8に接触媒質として水を入れる。接触媒質としては油等を用いることも可能である。パーソナルコンピュータ5に、アレイ探触子3から送信する超音波の強度や走査速度等の探傷条件を設定し、探傷条件はアレイ探傷器4によって送受信制御信号に変換されてアレイ探触子3に送信される。アレイ探触子3は、リム部12にフランジ側リム面16から超音波を送信し、リム部12から受信したエコーに応じた信号をアレイ探傷器4に送信する。アレイ探傷器4は、アレイ探触子3から受信した信号を増幅等してパーソナルコンピュータ5に送信し、パーソナルコンピュータ5は、Aスコープ、Bスコープ等の画像を表示する。また、パーソナルコンピュータ5から制御盤7を介して回転駆動部6に回転信号を送信し、車輪1を回転させる。このようにして、リム部12の探傷を周方向に行う。
アレイ探触子3からの超音波の送受信は、例えば、リニアスキャン(リニアスキャンとは、アレイ探触子3を構成する幾つかの振動子32を1送信単位とし、該1送信単位で超音波を送信するときに、各振動子32からの超音波が互いに平行になるように送信したり、各振動子32のそれぞれの送信のタイミングをずらして各振動子32からの超音波を一点に集中させて送信する。そして、その状態で、振動子32の配列方向に沿って、順次送信単位をずらせていくようにアレイ探傷器4からの送受信制御信号によってアレイ探触子3を制御することにより、超音波を平行走査する方法)やステアリングスキャン(ステアリングスキャンとは、アレイ探触子3を構成する幾つかの振動子32を1送信単位とし、該1送信単位で超音波を送信するときに、各振動子32からの超音波が互いに平行になるように送信したり、各振動子32のそれぞれの送信のタイミングをずらして各振動子32からの超音波を一点に集中させて送信する。そして、その状態で、出射角を変えていくことにより走査する方法)によって行う。
本発明に係る超音波探傷方法は、アレイ探触子3の配置位置に特徴を有しており、アレイ探触子3の配置位置について説明する。従来は、一般的に、車輪を回転させて探傷するときに入射領域が通過する面積が広くなるように、軸方向から見たときのアレイ探触子3の振動子配列方向(長手方向)と車輪の径方向とが成す角度(探触子配置角度)を0°にしていた。
図3は、従来の超音波探傷方法における、アレイ探触子の配置位置を示す斜視図である。図3では、車輪1は一部のみを示している。
入射領域が径方向に延びている。
このように、探触子配置角度を0°にして探傷したときのBスコープを図4に示す。図4(a)は、Bスコープの写真であり、図4(b)は、Bスコープの模式図である。いずれの図も横軸が超音波の伝搬時間であって、縦軸が超音波の走査位置である。つまり、横軸がフランジ側リム面16からの深さ位置を示し、縦軸がフランジ側リム面16での径方向の位置を示す。なお、図4において、リム部の形状を実線で示している。
このBスコープを撮像したリム部12には、フランジ側リム面16の反対側のリム面から、フランジ側リム面16に向けて垂直に1mmφの平底穴の人工キズを設けている。フランジ側リム面16から人工きずの先端までの距離は50mmであり、人工きずの先端のエコー(きずエコー)がBスコープで検出されている。
Bスコープでは、フランジ側リム面16の近傍に表面エコーが現れている。そして、フランジ側リム面16から、表面エコーよりも更に深い位置にかけて表面肌の形状エコーが現れている。この表面肌の形状エコーが現れている箇所に前記人工きずの先端を設けていたとすると、該人工きずのきずエコーの強度が表面肌の形状エコーの強度と比べて同等以下の場合には、該人工きずの検出は困難である。
また、リング溝17の位置及びリング溝17より深い位置にリング溝17の形状エコーが現れ、スロート面15の近傍にスロート面15の形状エコーが現れている。このリング溝17とスロート面15の形状エコーが現れている箇所に前記人工きずを設けていたとすると、該人工きずのきずエコーの強度がリング溝17とスロート面15の形状エコーの強度と比べて同等以下の場合には、該人工きずの検出は困難である。
図5は、フランジ側リム面16に送信された超音波の伝搬経路を示す図である。図5(a)は、車輪1の周方向から見た伝搬経路を示す径方向断面図であり、図5(b)は、車輪1の軸方向から見た伝搬経路を示す平面図である。
最初に、車輪1の周方向から見た伝搬経路を、図5(a)を参照して説明する。
車輪のフランジ側リム面16の表面肌は、表面加工時のバイトの刃による細かい多数の切削跡から成り、切削跡は車輪の軸を中心として円周状に形成されている。
振動子32から、径方向内側に向けて、フランジ側リム面16全体に対して斜めに送信された超音波U1は、フランジ側リム面16がフラットであれば、径方向内側に反射される。しかし、フランジ側リム面16は、径方向に多数の切削跡の凹凸を有している。従って、超音波の一部は、車輪1の周方向から見るとフランジ側リム面16で反射して振動子32に戻る。また、振動子32から、径方向外側に向けて、フランジ側リム面16全体に対して斜めに送信された超音波U2の一部も、車輪1の周方向から見るとフランジ側リム面16で反射して振動子32に戻る。
次に、車輪1の軸方向から見た伝搬経路を、図5(b)を参照して説明する。なお、図5(b)では、便宜上、切削跡を数本しか描いていない。
探触子配置角度が0°なので、振動子32からの超音波U3が切削跡と垂直に反射し、振動子32に戻ってくる。フランジ側リム面16が周方向に凹凸を有していれば、フランジ側リム面16で周方向に分散して反射するが、フランジ側リム面16は表面加工時のバイトの刃によって周方向に滑らかな面の切削跡になっているので、車輪1の軸方向から見ると多くの超音波が振動子32に戻ってくる。
このように、アレイ探触子3から送信された超音波の一部が、車輪1の周方向及び軸方向の両方から見たときにアレイ探触子3に戻る。従って、アレイ探触子3から送信された超音波の一部は、表面肌に反射してアレイ探触子3に戻り、表面肌の形状エコーとしてBスコープに現れる。
このようにしてアレイ探触子3に戻ってくる表面肌の形状エコーは、振動子32からフランジ側リム面16全体に対して略垂直な方向に送受信された超音波によるエコーでなく、斜めに送受信された超音波によるエコーなので、フランジ側リム面16の表面エコー(フランジ側リム面16の表面エコーはフランジ側リム面16全体に対して略垂直な方向に送受信された超音波によって形成される)よりも伝搬時間が長くなる。従って、Bスコープにおいて、表面肌の形状エコーは、フランジ側リム面16の表面エコーよりも深い位置にまで現れる。このために、表面肌の形状エコーが現れているBスコープの位置に在るきずの検出が困難になる。
また、探触子配置角度が0°なので、図5(b)に示すように、振動子32からの超音波U4、U5がスロート面15及びリング溝17と垂直に反射し、振動子32に戻ってくる。従って、スロート面15とリング溝17の形状エコーがBスコープに現れる。このために、スロート面15とリング溝17の形状エコーが現れているBスコープの位置に在るきずの検出が困難になる。
本実施形態では、探触子配置角度を0°よりも大きくして超音波探傷する。
図6は、アレイ探触子の配置位置を示す斜視図である。車輪1は一部のみを示している。入射領域が径方向と斜めになっている。また、図7は、車輪1の軸方向から見た超音波の伝搬経路を示す平面図である。
探触子配置角度を0°よりも大きくした場合の車輪1の周方向から見た超音波の伝搬経路は、探触子配置角度が0°の場合と同様であり、図5(a)を用いて説明したのと同様に、振動子32から、径方向内側及び径方向外側に向けて送信された超音波の一部は、フランジ側リム面16で反射して振動子32に戻る。
車輪1の軸方向から見た超音波の伝搬経路では、図7に示すように、探触子配置角度が0°よりも大きいので、振動子32から径方向内側に向けて送信された超音波U6は、切削跡で反射した後に、振動子32に戻り難くなる。また、振動子32から径方向外側に向けて送信された超音波U7も、切削跡で反射した後に、振動子32に戻り難くなる。
また、探触子配置角度が0°よりも大きいので、振動子32からスロート面15に向けて送信された超音波U8は、スロート面15で反射した後に、振動子32に戻り難くなる。同様に、振動子32からリング溝17に向けて送信された超音波U9は、リング溝17で反射した後に、振動子32に戻り難くなる。
図8は、探触子配置角度を変化させたときの、表面肌、リング溝17及びスロート面15の形状エコーの強度を、リム部12に設けた人工きずのきずエコーの強度と比較した図である。
用いたアレイ探触子3は、振動子数が128個、振動子のピッチが1mm、同時励振数が24、アレイ探触子の長さが128mmであった。また、アレイ探触子の幅は、7mm、9mm、11mm、12.5mmの4種類であった。
人工きずは、図4に示すBスコープと同様に、フランジ側リム面16の反対側のリム面からフランジ側リム面16に向けて垂直に1mmφの平底穴の人工きずを、人工きずの先端がフランジ側リム面16から50mmの位置になるように設けた。
いずれの探触子配置角度においても、人工きずのきずエコーの強度が同一になるように振動子32の感度を調整した。
図8では、フランジ側リム面16の表面肌、リング溝17及びスロート面15からの形状エコーのそれぞれの強度が人工きずのきずエコーの強度よりも充分に低い場合をA、表面肌、リング溝17及びスロート面15からの形状エコーのそれぞれの強度が人工きずのきずエコーの強度よりも低く、人工きずとの強度の差が小さいが、人工きずのきずエコーを識別できる場合をB、表面肌、リング溝17及びスロート面15からの形状エコーのそれぞれの強度が人工きずのきずエコーの強度と同等以上の場合をCとして表わした。
フランジ側リム面16の表面肌、リング溝17及びスロート面15の形状エコーの強度を、人工きずのきずエコーの強度よりも低くするには、次のような探触子配置角度にするとよい。なお、幅の異なる4種類のアレイ探触子3を用いたが、いずれのアレイ探触子3も同様の結果だった。
表面肌の形状エコーの強度を人工きずのきずエコーの強度よりも低くするには、探触子配置角度は20〜45°がよく、更に好ましくは30〜45°がよい。
リング溝17の形状エコーの強度を人工きずのきずエコーの強度よりも低くするには、探触子配置角度は20〜45°がよく、更に好ましくは30〜45°がよい。
スロート面15の形状エコーの強度を人工きずのきずエコーの強度よりも低くするには、探触子配置角度は40〜45°がよく、更に好ましくは45°がよい。
図8では、45°より大きい探触子配置角度での結果を示していないが、45°より大きく90°より小さい探触子配置角度では、表面肌、リング溝17及びスロート面15からの形状エコーの強度は、人工きずのきずエコーの強度よりも充分に低かった。
しかしながら、探触子配置角度を大きくすると、車輪を回転させて探傷するときに入射領域が通過する面積が小さくなる。従って、入射領域が通過する面積が、探触子配置角度が0°のときと比べて1/2以上になるように、探触子配置角度を60°以下にする。ただし、入射領域が通過する面積が小さくても良い場合には、探触子配置角度を70°以下や80°以下にしてもよい。
従って、フランジ側リム面16の表面肌の形状エコーの強度を低くして超音波探傷するには、探触子配置角度を20〜60°にする。更に好ましくは、探触子配置角度を30〜60°にする。このことにより、表面肌の形状エコーがアレイ探触子の方に戻り難くなる。従って、表面肌の形状エコーの強度が人工きずからのきずエコーと比べて低くなり、フランジ側リム面16の近傍からのきずエコーを表面肌の形状エコーから識別し易くなる。
また、車輪1がリング溝17を有している場合にも、探触子配置角度を20〜60°にする。更に好ましくは、探触子配置角度を30〜60°にする。このことにより、リング溝17の形状エコーの強度が人工きずからのきずエコーと比べて低くなる。これにより、リング溝17近傍からのきずエコーをリング溝17の形状エコーから識別し易くなる。
従って、表面肌近傍及びリング溝17近傍の二つの異なる領域のきずを検出するのに、探触子配置角度を20〜60°に設定しさえすれば、表面肌及びリング溝17の形状エコーの強度を低くし、1個のアレイ探触子によってきずを精度良く検出することができる。
また、スロート面15の形状エコーの強度を低くして超音波探傷するには、探触子配置角度を40〜60°にする。更に好ましくは、探触子配置角度を45〜60°にする。このことにより、スロート面15の形状エコーの強度が人工きずからのきずエコーと比べて低くなる。これにより、スロート面15近傍からのきずエコーをスロート面15の形状エコーから識別し易くなる。
従って、リング溝17を有さない車輪においては、フランジ側リム面16近傍及びスロート面15近傍の二つの異なる領域のきずを検出するのに、探触子配置角度を40〜60°に設定しさえすれば、表面肌及びスロート面15の形状エコーの強度を低くし、1個のアレイ探触子によってきずを精度良く検出することができる。
また、リング溝17を有する車輪においては、フランジ側リム面16近傍、リング溝17近傍及びスロート面15近傍の三つの異なる領域のきずを検出するのに、探触子配置角度を40〜60°に設定しさえすれば、フランジ側リム面16の表面肌、リング溝17及びスロート面15の形状エコーの強度を低くし、1個のアレイ探触子によってきずを精度良く検出することができる。
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。
1・・・車輪
16・・・フランジ側リム面
3・・・アレイ探触子
31・・・振動子面

Claims (2)

  1. アレイ探触子によって車輪のフランジ側リム面に超音波を送信し、リム部を探傷する超音波探傷方法であって、
    前記アレイ探触子の振動子面を前記フランジ側リム面に対向させ、前記車輪の軸方向から見たとき該アレイ探触子の振動子配列方向と、該アレイ探触子の前記振動子配列方向の端部のうち前記車輪の軸寄りの端部を通る該車輪の径方向とが成す角度を20〜60°にして探傷することを特徴とする超音波探傷方法。
  2. 前記角度を40〜60°にすることを特徴とする請求項1に記載の超音波探傷方法。
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